автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Лазерное формирование объемных моделей методом послойного наращивания

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО 'Л ПРОФЬХ;СКиНлЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ Р Г Б ОД (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

9 7 Я 1 10*7

/. ( ¡Пи) Ц/.;/

На правах рукописи

У Диань

УДК 621.373.

ЛАЗЕРНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ОБЪЕМНЫХ МОДЕЛЕЙ МЕТОДОМ ПОСЛОЙНОГО НАРАЩИВАНИИ

Специальность 05. 5 1. 07. (Оптические и оптико-электронные пр'боры)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург

5996 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном институте точной механинии оптики (техническом университете)

Научный руководитель: доктор технических наук,профессор

В. П. Всйко.

Официальные оппоненты: Л. Т. Н. профессор: Э. С. Путилин.

К.Т.Н. СТ. Н. С.: А. А.Аллас.

Ведущее предприятие: ВИЦ ГОИ им С. И. Вавилова.

Защита диссертации состоится/'У 1997 года р_ч__мин.

на заседании специализированного совета Д 053.26.03"Оптические и оптико-электронные приборы" при Салкт-Петербургском Государственной институте точной механики и . оптики(техническом университете) по адресу:

197101. Санкт-Петербург, ул. Саблинская, 14. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Q

Автореферат разослан"/2__"декабря 1996 года. Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах). заверенные печатью, просим направлять в адрес института: 197101, Санкт-Петербург, ул. Саблинская, 14. секретари специализированного совета.

Учений секретарь специализированного совета £053.26.01.

кандидат ^технических наук, доцент В. М. Красавцев

\

-"Ь

ОБЩАЯ XAPAJCTÎPHCTMA РАБОТЫ

Акуальность работы: Буркая интернационализация ринка и усиление . конкуренции в глобальной мировой гчономике требует существенно сократить время на производство и уменьшить стоимость конечного продукта. Однако традиционные методы обработки материалов, например,механическая обработка(точение.Фрезерование,строгание, шлифование) обработка давле^ем литье и т.д. не удовлетворяют вышеуказанному требованию.

В конце ЗО-ыд годов появились и нашли га-шерчоское применение новые производственные процессы со способностью быстрого формирования объемных изделий с помощью базы данных CAD методом послойного наращивания. Эти процессы получили общее название RFM(Rapid prototyping/parts manufacturing). Технология послойного наращивания позволяет удовлетворить потребности различных стадий производства, что способствует уменьшению затрат времени на эти процессы и существенно снижает стоимость конечного продукта(на 50% или больше).

В настоящее время применение техники лазерной обработки является вачшейшей,ступенью технологии послойного каращивания. Согласно статистике Woïilers assoiation в США существующее лазерное оборудование RPM занимает 83% от всех видов оборудования RPM в мире до июля 1-995 года(см. гл. 5). Однако, следует отметить, что в то же время, технологи.. RPM еще делает первые шаги и далеко не до конца изучена.

Обобщив вышеуказанные обстоятельства можно сделать следующий вывод: постановка темы диссертации "Лазерное формирование объемных моделей методом послойного наращивания" представляется очень актуальной.

Сущность лазерного формирования объемных изделий методом послойного наращивания заключается в представлении трехмерной компьютерной модели в виде двухмерых ппоских слоев с послойным наращиванием в тре^ем измерении. Двухмерные слои изготавливаются в результате воздействия лазерного излучения на материал слоя, при чем лазерный • пучок управляется компьютером, в котором заранее заложена.информация, о конфигурации слоев. Материалами объемной модели могут быть металлические или неметаллические, листы, порошки или жидкие (вязкие) олигомеров.

-

Цель работы: 1)Разработка и создание экспериментальной установки на принципе технологии лазерного Формирований объемных моделей•методом послойного наращивания (Laminated Object Manufacturinfj-LOM). 2)Технологическое исследование трехмерного синтеза на установке L0M. 3)Теорестическое исследование проблемы оптимизации системы L0M. 4)Исследование применения и перспективы лазерного формирования объемных моделей.

Моторы исследования: Вышеуказанные цели диссертации быть достигнуты с помощью следующих методов:

1)Анализ и обобщек-е существующих основных литературных данных и соединения с собственным экспериментальным опытом для разработки и создания экспериментальной установки.

2) Использование теплофизической теории лазерной резки для технологического исследовачня двухмерного изготовления слоев модели.

3) Экспериментальное исследование, основных .процессов технологии изготовления.

4)Использование основных законов геометрической оптики и механики,например, инварианта Лаграчка и теории кинематики двухкоординатного криволинейного движения для оптимизации сканирующей система лазерного пучка.

5)Анализ литературных данных для обобщенного исследования применения и перспектива технологии лазерного формирования объемных моделей.

Научная новизна диссертации:

- Разработана экспериментальная установка, основанная на принципе работы L0M;

- Проведены расчеты температуры в зоне лазерной обработки для режима резки бумаги и распределения мощности излучения в фокальной плоскости объектива,

- Разработана методика определения скрытой теплоты разрувения и найдены ее значения для некоторых материалов.

- Экспериментально исследэзана технология трехмерного-синтеза объемных моделей и зависимость илрины реза от скорости сканирования, -

- Проведена оптимизация сканирусаих систем лазерного Формирования объемных моделей

ССповныо результата, Бк.-сс;:мь:е на зэдгту:

- Классификация в соответствии с принципом изготовления двухмерных слооп. По этому принципу методы RPM разделяются' на сотохимичоскис, фотофизические и нелазерные.

- Обпис- принципы построения и схема конструкции установки длл лазерного формирования объемных моделей из бумаги методом послойного наращивания.

- Экспериментальные результаты и расчеты технологических процессов лазерного трехмерного синтеза объектов на установке L0M.

- Принципы и методы оптимизации оптииеской системы и механизма сканирования.

Практическая ценность работы:

- Дан подробный анализ и обобщение современного состояния метода быстрого изготовления объемных моделей(RPM) в мире,его возможные применении и перспективы.

- Приведены общие принципы построения и оптимизации лазерной установки для быстрого изготовления объемных моделей (RPM), что существенно для дальнейшего проектирования и усоверпенст-вования установки технологии RPM.

Реализация в промышленности:

Разработана и изготовлена Лазерная установка для быстрого формирования объемных моделей методом поело?., юго наращивания ( в соответствии с договором о взаимном сотрудничестве между СПИТМО и институтами ЦКИИМ и БНИИТРАНСМАШ).

В настоящее время установка находится в эксплуатации на опытном производстве ЦНИИМ.

Апробация работа:

Результаты работы обсуждались на научном семинаре кафедры лазерных технологий и экологического приборостроения, докладывались и обсуждались на Международной конференции "•'текло, оптика, лазер", ноябри 1995г, Санкт-петербург; на Международной конференции "Laser as a tools for manufacturing, symposium Photonics vvest-96", февргпь 96 San-Jose, USA; . на 8th International conference Laser Applications Engineering (St.Petersburg) 3-5,07,1996; на "Photonics' china ' 96", -International symposium on Laser, Optoelectronics and Micro-photonics (November 1996, Beijing).

Публикации:По теме диссертации опубликовано две печатных

работы.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы. Содержит 170 страниц машинописного текста, включая 33 рисунка. 11 таблиц и 2 фотографии.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ео введении дана обшая характеристика диссертационной работы, сформулированы актуальность и сущность метода ЙРМ.

Цель работы, методы исследования, научная ноьизна диссертации, основнь • результаты, выносимые на защиту, практическая ценность работы, реализация с промышленности содержатся в пяти главах.

первой главе анализируется необходимость и возможность появления технологии ЙРМ и ее преимущества, приведена краткая история развития ИРМ. принцип работы, классификация методов

В классификации методов КРМ особенно отмечено то, что лазерная технология в истодах быстрого изготовления объемных моделей играет существенную роль. До сих пор из существующего коммерческого оборудования, основанного на технолог;;;! установки, использующие нелазерные методы, составляют 17 I. Поэтому в первой главе представлены наиболее распространенные методы лазерного формирования объемных моделей с помощью послойного наращивания и дано сравнение их технических характеристик. Наконец, на основе анализа и обобщения общих положений и достигнутых результатов технологии РРМ поставлены задачи данной диссертационной работы и показана актуальность выбранной темы.

Механизм изготовления двухмерных слоев сильно влияет на конструкцию оборудования быстрого изготовления трехмерных моделей и качество самих трехмерных моделей. Поэтому классификация в соответствии с механизмом изготовления двухмерных слоев более распространяется на практике.

Предложена следующая классификация Р.РМ методов по этому прннщшу;

1. Фотохимические методы формирования объемных моделей.

Эти методы заключаются в том. что под действием ультрафиолетового излучения лазера (сбычно используется Не-СсЗ или

Аг лазер I леонехолит пооиесс послойной фотоголимеризации жидкого моно!'.ог.1а или олигомеса. Принцип технологии стеооолито-графии основан на Фотохимической реакции.

к. ФотоФнгчческие методы Формирования объемных моделей В с-тн методы используются принципы послойной лазерной' резки листового матерь-ала к-ч принципы взаимодействия лазерного излучения с порошкообразными материалами для двухмерного изготовления, которые основаны на теллофизическом действии лазерного излучения инфракрасной области (наиболее часто используется' Си^-пазер). t- j. Келазерный метод формирования объеиных моделей.

Лазерное излучение в вышеуказанных методах применяется для того, чтобы получить минимальную точку формирования для обеспечения высокой точности Формы изделия. Практические исследования показали, что применяя нелазерные способы, такле можно' получить достаточно высокую точность Формирования.

Следующие более распространенные и типичные лазерные методы быстрого изготовления объемных моделей:

1.Метод Стереолитографии(Stereolithography Apparatus- SLA)

Основной принцип SLA - затвердевание жидкого мономера

после обработки его лазерным лучом обычно ультрафиолетового диапазона. Лазерный луч с помощью сканера рисут один слой детали на поверхности полимерной ванны; затем опорная платформа опускается и луч рисует следующее сечение. Здесь необходимо обрабатывать всю позеохность сечения детали. Таким образом объект последовательно строится на платформе.В данном процессе используются такие материалы, как акриловаые, полиамидные, другие Фотополимеры и др. Заключительный процесс включает в себя затвердевание детали и очистку изделия при помощи химикатов.

2. Слективное лазерное cnei ание (Selective Laser Sintering-

SLS)

Метод представляет собой послойное изготовление объемных изделий из порошкообразных материалов. Одмн слой поперечного разреза объекта соответствующей геометрии локально расплавляется с помощь» лазера и при охлаждении затвердевает. Теоретически в этом процессе можно обрабатывать любой плавящийся материал, но на практике из-за низкой температуры плавления чаще всего

- а -

используется пластмассовый порошок. Особенно хорошо для этой иэлм подходят такие материалы, как полистирол, поликарбонат и полиамид. Обработку таких порошков требуется производить в обогреваемой камере, наполненной инертным газом для исключения реакции взаимодействия с азотом воздуха. Для повышения жесткости изделий исг.ольэтот пропитку пероака эпоксидной смолой. Заключительная обработка происходит путем удаления налипшего порошка струей воздуха и шлифования .

3. лзготовлония объектов методом послойного каражизания О.а1па1оа ОВД ее+ МапиГйс1иг!пк-Ш0

Лачныи процесс построения объекта заключается в следующем. Рассчитанное поперечное сечение объекта вырезается лучом лазера из используемого материала, далее опорная площадка опускается на толщину нааащиеас-яого слоя материала. Затеи приклеивается следующим слои и выоезаьтся очередное сечение детали, дополненное нассчкои для удаления отходов. Основные материалы, используемые с ЮМ - это бумага и пластмассы различных сортов. Такие для этого метода могут использоваться эпоксидная смола, каучук к гипс. Вид к-лея и способ склеивания оказывают серьезное влияние на продуктивность и точность 1СМ, а тачке на такие параметры, как прочность, твердость и температурная стабильность. Заключительная обработка состоит в механическом удалении отходов и финишной обработке поверхности.

Вторая глава полностью посэящена разработке экспериментальной установки для лазерного Формирования трехмерных сбъектоз методом послойного наращивания. Приведет! принципы выбора экспериментального метода работы и опибанне общей схем экспериментальной установки ЬСМ и ее основные технические п&эаметры. разработаны принципы лыбора источника излучения и оптической схемы. Б результате еыб&ра кспользг.вана оптическая система сканатсра с СО--лазером. Во второй глаие приведено описание конструкций устройства сьлейкн-протянки и его ос.чоыше принципы работы, а также, подробно опиСаны конструкции блока рабочего стол*, блока нагрсй^гсля {рклечая блок '.слодильника; и блока подачи и о~вод- листсеах катераалс-з. их принципы работы и особенности. Разработана система управления установкой. описана ее блок-схема и задачи управления.

Схема экспериментальной установки для исследования технологии лагерного Формирования трехмерных объектов представлена на рис.. 1.

1 - СОг-лазер ИЛГН-302, длина волны 30,6 мкм; 2, 5 - диафрагмы; 3, 4 - электромеханический затвор (зеркало); 6, 7 - зеркала сканатора: 3 - объектив(фокусирующая линза, 37 мм); 9 - обрабатываемая модель с избытком; 10-Ке-Ме-лаэер для визуализации излучения СО?-лазера: 11-зеркало; 12.14-поглотители излучения; 13 - аттенюатос излучения: 15 - приемник излучения; 16-вращаю-щийся диск с отверстием; 17 -измеритель мощности ИМ0-2Н; 18 -рабочий стол; 19-рулон с бумажной лентой: 20 - рулон с крайним избытком бумажной лэнты; 21-блок нагревателя; 22 - устройство для удаления продуктов лазерной обработки: 23-блок управления; 24-блок холодильника;'25 - контрольный измеритель" температуры; 26-датчик хода перемещения; 27-компьгатер 1ВМ РС436/0х2-66 МГц.

Рис 1. Схема энспериментальЧйй установки

Основное технические параметры экспериментальной установки:

1. Размео обрабатываемой модели 200x200x500 мм.

2. Точность обрабатываемой модели 0,2 мм (X, У, 2).

3. Мощность С02-лазера 30 Вт.

4. Диаметр пятна лазерного пучка

5. Толщина бумаги .и. .Скорость резки

7. Скорость наращивания мололи

и, л' -0.3 им. и.иб - 1.0 111!. 300 - 41А' ММ/с 5 - ь 11.ч/ч.

8. Компьютер 1БМ РС 486/0x2-66, вМВ ЙАМ. 4<г0 УЬ ¡¡и.

У. Габариты установки

26(.;0х 1 ОООх 2 500 мм.

Общие задачи устройства склейки - протяжки закл/гч:-ются в следующем: .

_ 1. Выполнение вертикального изготовления трехмерных объектов.

2. Обеспечение расположения обрабатываемой поверхности листового материала всегда в оокалънок плоскости оптической системы во время лазерной резки.

Система управления должна выполнять следующие задачи: - управление перемещением лазерного пучка в области ¡¿00x200 мм для выполнения двумерного изготовления (рисунка) по заданному контуру: -управление скорость» перемощения лагерного пучка в & зонах поля обработки, а также скоростью "грыжкзп" лазерного пучка: - управление перемещением рабочего стола для вертикального послойного наслаивания и склеивания объемной модели: - управление (через блок управления) автоматической подачей и отводом бумаги и термопрессовым склеиванием слой за слоем: - контроль и коррекция высоты наращивания и температуры склеивания при обработке: - автоматическое управление электромеханическим затвором при обоаботке: - возможность визуального наблюдения обрабатываемого сечения и измерения мощности лазерного излучения: - возможность подбора ряда корректирующих параметров для обеспечения минимальных искажения размеров объемной модели.

Следует отметить, что в отличие от известных установок ЮМ в разработанной версии впервые ■ использован сканер с оригинальной системой коррекции оенбки и схема склейки типа "•/тег" вместо 'нагретый ролик", что снижать ошибку типа, "нагслон вертикальных стенс-к".

Гретья глада посэяхенг исслелозаки» технелегаа трехмерного синтеза на установке ЮМ. Рассмотрен»: тспляйсическ«- процессы лазерной обработки при дзуаеснем изготовлении. По существу двумерное изготовление я&ляется лгз~?.--:ьм разделением •.резкой;

- и -

истового материала. Поэтому описана теплофизическая модель азерного разделения материалов для того, чтобы можно было айти характеристики, описываюцие нагрев материала, глубину рогретого слоя, распределение температуры в среде, в центре оны облучения и т. д. Для этого приведено общее дифференциаль-ое уравнение,и даны некоторые решения краевой задачи тепло-роподности. При лазерном разделении сканирующее лазерное злучение является движущимся источником тепла. Поэтому в ретьей гласе приведено математическое описание соотношений ежду параметрами: мощностью и диаметром пятна излучения, коростыс сканирования, шириной и глубиной резки и т.д.

При быстро.'.: перемещении такого источника теплота будет аспространяться только в глубину материала в направлении, :српендикулярном направлению движения:

ТЫ - [АРехр(-г2/г02)]/(у(1срг0я1/2) де: Т(г)-распределение температуры з направлении, перпендику-1ярном регу; А-коэффициент поглощения: Р-мощность излучения;

- скорость резки: п- глубина прорезания; с-удельная тзплоем-:ость: р-плотность; г„-радиус лазерного пучка. Используя эту ¡оомулу для расчета температуры на поверхности материала (г=0) окно получить значение температуры Т = 1242 К. Распределение ■емпературы по глубине приведено в Рис 2.

Для расчета температуры в т.< юно лазерной обработки были ,ж™ -юпользованы' две модели. ««.« 'асчеты, выполненные в рамках «и.* :сдели распределенного тепло-юго источника, дали завышен-¡ое значение температуры.

- 1АС06

южно ооъяснигь тем,что в этой ¡одели отвод тепла осущестзля- 20000 ¡тся только с псыощыо механизма

100Э. ГМК

геплспрсаодности. а распреде- рис 2. Распределение температуры :енис- температуры является пс глубине

»днемерным. Здзсь учтена реальная неодномерность задачи и ;тск тгпла. связанный со скрытой теплотой ьазруземия материала, '.реме этого, не учитыгалссь реальное распределение интенсив-iccTH в пятнэ лазерного излучения.Расчеты по подели нормально'

полосового источника показал-, 1 'бог,ее реальное значение текпео. туры на поверхности. Это связано с теп. что модель описывав распределение температуры для трехмерного случая, и п; расчете глубины прорезания материала была учтена скрыт. теплота разрушения.

Теплота разрушения является сажным технологичесж параметром. отражающим энергетические затраты при лазерж резке материалов.

В результате общее виражонкс для определения скрг.тс теплоты разрушения имеет вид:

Ц:„ = 2лР/хрг0!IV - сТ0 где Т,,-температура разруисния.

В результате эксперимента были определены режимы резкг при которых происходило разрушение только одного слс материала. Данные экспериментов и расчетов для различнь материалов приведены^ таблице.

бумага

скрытая теплота разрушения Дд/кг

1.37x106

шпон j оракап

I.

_...........L......J

iio результатам определения скрытой теплоты разрушения мо но сделать вывод, что значение , полученное для бумаги являет ся большим по соавьснию со значением для тона. т.к. плотнеет бумаги превышает плотность шпона. При резке оракала также ну»: но учитывать, что значение скрытой теплоты разрушения для это го материала больше, чем для бумаги, что влияет на реяим ег обработки.

В третьей главе такие изложены результаты экспериментам ного исследования технологии лазерного формирования двумерной рисунка.

С помощью программы трехмерного сканирования изменялас: задержка между выводом на внешнее устройство двух соседнп; точек траектории с разрешением 5 тчк/мм в диапазоне 200 20СИ мке/тчк, а следовательно, ( "орость сканирования от 900 до 9i ми/с. Измерение ширины реза производилось с помощь» микрасшп; с учетом обугливания краев. Результаты измерений для бумаг)

зедставленн в виде графиков на рис. 3.а) при различных учениях мощности излучения.

"0.70 j

Ь г,,-. j..........................-

¡r.-i tuco есс.х да» ¿.со saco >С0Л0 ÍV.GO 200.ro 2S0JX ¿20.00

а) 6)

-р-63вт:2-р-53зт:3-р«27вт;4-р-17вт. 1-для бумаги:2-для шпека, ис 3. Зависимость ширины реза от скорости сканирования.

Для обеспечения качественной обработки желательно исполь-эвать ширину реза с учетом обугливания края не более 0. S мм. горетически для этого можно использовать мощность около 50 г. мо при этом нужна скорость сканирования более 800 мм/с. эторую не мсжзт обеспечить используемой в установке сканатор.

На практике установлено, что наиболее оптимальным зляется использование мощности около 30 Вт и скорости 250 * 50 «;,«./с. При уменьшении мощности можно добиться меныгея *рины реза, не в этом случае уменьшается и скорость эработки. что сказывается ка производительности процесса.

Исследование зависимости ширины реза от скорости сканиро-ir-ия было проведено также для шпона, на рис. 3. б) Представлены <спериментальяые данные для мощности 23 Вт и для сравнения 5зультаты измерения для бумаги пги той же мощности.

Ширину реза необходимо знать для определения отступа от зая детали при резке, чтобы получить точные размеры изделия. : графикам приведенным ка рис. З.б) модно сделать st-шад, что чя г.сде.тс-й из клена отступ нужно делать значительно бсльие, для моделей из бумаги. Шпон можно использовать для изгото-"Е.чия больыих моделей простой формы, для которых нет четких требований ка качество поверхности и точность размеров з высоте йзделия, т.к. толщина слоя шпона намного превышает :лайну елся оуигги Ислсльгова-'.е апона позволяет существенно

повысить производительность процесса.

В третьей главе излонена разработанная технологи, вертикального наслаивания, приведено описание общих принцип! выбора материалов для технологии ЮМ. Проанализирован технологические процессы вертикального наслаивали, термопрессовым склеиванием и склеиванием с помощью лазерноп нагрева. Наконец, сделена первая попытка выяснения влияни. кромок бумаги при лазерном разделении на качество поверхност; объемных моделей.

Четвертая глава посвящена теоретическому исследовани] системы доставки лазерного излучения к объекту для технологи; ЯРМ.

Основные проблемы оптимального проектирования лазерноп

Рис 4. Схема, лазерного сканирования

г£Штор-а заключаются в полу чем ни как можно меньшего размера ютового пятна а и его неравномерности А.

Размер пятна в Фокальной плоскости равен (1 - Я,, Г » И '/О, 10 I - - инвариант Лаграижа (обозначения на рис 4. )

Можно поназать. что размер пятна с1 в произвольной точке [¿очей плоскости равен а* =<3{Г1 + (г"/га И + (У'/Г0 * )2] З1 /2 поело разложения по ряду Тейлора получится Л - /10' )'г /2+ /\.,'У/г . где первый член в скобке учитывает фактор '«жусиоозки, а второй фактор наклонного падения.

из приведенных выражении и рис 4. ясно, что требования юньпения размера пятна и сто неоднородности для обеспечения •ооходимой точности процесса находятся в противоречии с юОованнем увеличения размера рабочего поля I. ютвстствующие зависимости приведены в диссертации. 8 стно.ти показано, что при допустимей ошибки Д ^ 300 мкм и пользовании СО,-лазеров рабочее поле ЙРМ установки со аньром не может быть более 20 см.

Плоттеры позволяют снять противоречие между точностью ■измором пятна; и полем обработки. Однако, проектирование юттеркых систем доставки имеет свои проблемы. Б частности, отторы обладают значительной массой движущегося узла, п-тому невозможно обеспечить прохождение более или менее ажной траектории с одинаковой скоростью V (чтобы понять зто, зио вспомнить, что при реверсе двигателя следует остановить .вину перед сменой направления движения).

Алгоритм изменения лазерной мощности Р(и должен иметь д: Р',4) = БУШ. где 3-функция, не зависящая от времени.

Лалее в главе приводится критерии оптимизации алгоритмов равлеиия плоттерными системами. Для . этого анализируется ткнутая траектория, показанную иа рис 5, в общем виде.

Очевидно, что точное выполнение траектории (рис.5,а) стигаемое с помощью двух независимых движений по X и У правлениям и обладает рядом недостатков; " таких как Тсновки и резкие скачки скорости и ускорения.

Существуют два возможных пути решения этой проблемы. С;бый - сделать холостую петлю за пределами исходной аскторин (рис.5,а). Однако это далеко не всегда допустило по г.олоп(чгс'ким причинам. Б работе рассмотрен другой белое общий

- ч к

21* 3 /21*

♦ ■ 1

¿*/2 И*

в«.У.|„)

Рис 6. Время перехода г дуге I в зависимости . с ошибки 5 траектории дуг радиуса Я(или УВ1П).

юсоб (рис. 5, Ь с или с!) начертания требуемой траектории с >пустимь!ми отклонениями.

Анализ системы при синусоидальном законе изменении щипальных ускорении позволил получить необходимые перемены :ижения. Отметим здесь радиус дуги перехода:й-=\/*гя/4а* (а*и V*. гаксимально допустимые ускорения и скорости), соответственно ¡кснмальную оаиоку обход траектории 5(см. рис 5), 6 - К* (/2-3) время обход траектории .Зависимость времени

■ре-хода по дуге от допустимой ошибки траектории приведены на

1с ъ.

В четвертой главе отмечено то, чте преимущества сканатора 1ключаются в легком получении хорошей скорости, простоте жструкции и низкой стоимости, а плоттера - в большем размере ¡йочего поля и лучшей точности.

Пятая глава включает исследование практических применений перспектиз развития лазерного Формирования объемных моделей ¡годом НРМ по следующим направлениям: применение в проектной 1боте, з изготовлении инструментария для производства, ютотипов и индивидуальных изделий. применение для !Готовления оригинальных изделий в мелкосерийном •оизгодстве. Приведено' описанир общего состояния •развития >ммерческих продуктов технологии ИРМ на мировом рынке. В :нозном описаны американский. японский и европейский рынки, гиведен ряд.статистических данных, которые показывают тот факт, ■о появление и развитие технологии ИРМ является коренным гарывом е мипозой истории развития технологии обработки (териалов.

В пятой главе также проанализированы перспективы развития 'хнологии КР.М в следующих направлениях:

- раззитие программного обеспечения технологии ЯгРМ;

- раззитие оборудования для технологии ЙРМ:

- оазоитиэ практического настольного применения технологии Г<РМ.

5 заключении сформулированы основные результаты работы. Л; Вскрыты основные экономические и технические предпосылки (явления технологии быстрого изготовления объемных моделей ссномпчс-ская Необходимость ее появления заключается в том. ■с сильная конкуренция па гяобапьнсм кьр-оасм рынке требует

ускорить развитие новых продуктов, сократить их Ц1 производства и снизить их стоимость. Технические возможное ее появления заточается в комплексном результате развитое ременной компьютерной (CAD) и лазерной техники, техт цифрового управления, гэвых материалов и т.д. Данная технолс имеет существенные преимущества перед традиционными.

2) предложена классификация в соответствии с принциг изготовления двухмерных слоев, которая является 6oj практичной. Поэтому RPM можно разделить на две группы: лазе? (фотохимические и фотофизические) и нелазерные методы Rf Вследствие своих преимуществ лазер в технологии RFM игрг большую роль, и поэтому установки с применением лазер получили самое большое распространение в мире (83% мировс рынка).

3) Разработана экспериментальная установка основанная принципе лазерного формирования трехмерных объектов методе послойного наращивания, содержащие лазерио-оптический блатом числе Cûz-лазер и компьютерный управляемый двухкоординат сканер), блок склейки-протяжки бумаги и управляющий компьюте

4) Проведены расчеты температуры в зоне лазерь обработки для режима резки бумаги и распределения мощное излучения в фокальной плоскости объектива. Разработг методика определения скрытой теплоты разрушения и найде ее значения для некоторых материалов. • 1(

5) Проведено экспериментальное исследование технолог трехмерного синтеза объемных моделей( зависимости ширины ре от скорости сканирования, закон поперечного распределен интенсивности и т. д. ).

6) Проведен анализ систем доставки лазерного излучения лазерных установках RPM. Предложены' примеры оптимизации проектирования. Выявлена взаимносвязь меаду величиной рабоче поля сканера, допустимых разбросов ширины реза и е конструктивными характеристиками. Усовершенствованы алгорит управления плоттером' на основе минимизации времени об>.о траектории при допустимой ошибке.

7) Проведено исследование практических применений RPW проанализированы перспективы его дальнейшего развития. '

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

til. V.P.Vciko,

S. A. Rodionov, B.P.Timofeev,

B. Yakovlcv, A. T. Shakola, D. L. Goobanov A. K. Krotnin, Wt1 Jian. aser-assisted 3D-L0M systems : analysis and synthesis" rocccdinfl of Int Conference Laser Applications in' 'jroc-icctronic and optoelectronic manufacturing, February

1.2703B.64, 1995

l?J. V.P.Vciko, Wu Jian. "LASER COMPLEX FOR 3D SYNTHESIS LAMINATED OBJECT MANUFACTURING"/Photonics China 96, ternational symposium on Lasers, Optoelectronics and :;rophotonics. 5-8 November 1996. Beijing, China.

2,1996, San lose, CA.USA.

Proceed i ngs of SPIE,

»дгасано к печатя C6.I2.S5 г. ичаз 80 Тираж ICO экз.

Объем 1,1 п.л. Бесплатно

»тапркнт.ьЖО. I9GGCQ, Санхт41е»ербург, пер.Грмщо-дя.Т*