автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Исследование и разработка методов и средств лазерного трехмерного лазерного синтеза из термоплатичных и термореактивных материалов

Введение.

Глава I. Обзор технологий трехмерного синтеза (ТС).

1.1 Сущность метода.

1.2 Технология на основе метода Стереолитографии (CJI).

1.3. Технология на основе Селективного

Лазерного Спекания Порошков (CJIC).

1.4 Технология на основе изготовления из

Листовых Материалов (ЛМ).

1.5 Остальные технологии трехмерного синтеза.

1.6 Сравнительный анализ лазерных технологий трехмерного синтеза (ЛТС) и постановка задачи исследования.

Выводы.

Глава II. Теоретический анализ процессов лазерного трехмерного синтеза для изготовления прототипов из перспективных материалов.

2.1 Определение предмета исследования.

2.2 Физикохимия соединения слоев в процессе изготовления моделей из листовых материалов.

2.3 Физикохимия трехмерного синтеза из термореактивной порошковой композиции (ТРПК).

2.3.1 Закономерности процесса монолитизации частиц при лазерном нагреве.

2.4 Теплофизический анализ лазерной резки листовых материалов.

2.4.1 Выбор модели теплового источника для расчета.

2.4.2 Расчет параметров лазерной резки для непрерывного излучения.

2.4.3 Оценка зон термического влияния (ЗТВ).

2.4.4 Расчет параметров лазерной резки для импульсного излучения.

2.4.5 Расчет теплофизических параметров соединения полимерных пленок радиационным нагревом.

Выводы.

Глава III. Разработка новых технологических схемных решений и материалов для JITC.

3.1 Требования к схемным решениям и материалам для JITC.

3.2 Схемные решения для изготовления моделей из листовых материалов.

3.2.1 Схемное решение№1.

3.2.2 Схемное решение№2.

3.2.3 Схемное решение№3.

3.2.4 Схемное решение№4.

3.3 Пути отделения отходов.

Выводы.

Глава IV. Экспериментальное исследование процессов JITC.

4.1 Описание экспериментального оборудования.

4.2 Определение удельной энергии разрушения для лавсана.

4.3 Определение зависимости ширины реза и ЗТВ от скорости резки и размера пятна для лавсана.

4.4 Экспериментальное определение зависимости зоны монолитизации от времени экспозиции для ТРПК.

4.5 Экспериментальная реализация предложенных схемных решений.

4.6 Экспериментальное определение оптимальных режимов соединения слоев по алгоритму JIM на установке КАРАТ-200.

4.7 Практическое применение полученных моделей.

Выводы.

Глава V. Оптимизация лазерного оборудования для трехмерного синтеза по методу ЛМ.

5.1 Выбор С ДЛИ для ЛТС по методу ЛМ.

5.2 Оптимизация алгоритмов доставки лазерного излучения для целей ЛТС.

5.3 Метод одноэтапного ускорения.

5.4 Мето/петли".

5.5 Метод двухэтапного ускорения.

5.6 Выбор критерия перехода от одного метода к другому.

Выводы.

Основные результаты работы.

Актуальность работы:

Своевременный выпуск новой качественной продукции является одним из наиболее мощных средств конкурентной борьбы в современной промышленности. При этом наиболее важной стадией является проектирование и изготовление первого образца - прототипа, на котором проверяются характеристики будущего продукта. Традиционный путь изготовления прототипа - трудоемкий, дорогостоящий и долгий процесс. Во многих случаях при этом нельзя обойтись изготовлением прототипа на станке с числовым программным управлением из-за сложности формы либо больших габаритов. Поэтому вначале изготавливается, как правило, деревянная модель по конструкторским чертежам руками высококвалифицированных рабочих, которая затем используется для производства действующего прототипа из конечного материала (металлы, полимеры), что может занять от 2"х до 4"х месяцев и более в зависимости от сложности формы.

В конце 80"х годов появились технологии трехмерного синтеза объемных моделей (Rapid Prortotyping), позволяющие ускорить и удешевить производство прототипа в десятки и сотни раз, независимо от сложности формы. При этом появляются совершенно новые возможности, такие как прямое изготовление прототипа сразу из необходимого материала, создание индивидуальных медицинских имплантантов (по результатам томографии внутренних органов), изготовление копий существующих объектов в археологии, искусстве (технология Reverse Engineering) и т.п. Роль конструкторских чертежей в технологиях трехмерного синтеза (ТС) выполняет электронная трехмерная модель, подготовленная средствами CAD/CAM проектирования.

Для изготовления прототипа электронную модель разбивают на параллельные сечения по всему объему с заданным шагом, получая, таким образом, набор плоских сечений. Далее эти сечения одно за другим подаются на установку ТС, где слои последовательно изготавливаются, формируя физическую модель, идентичную по форме электронной. Изготовление сечения происходит чаще всего с использованием одного из механизмов взаимодействия лазерного излучения с веществом. На данный момент, на долю лазерных технологий трехмерного синтеза (JITC) приходится около 85% рынка, из них основными являются: Stereolithography (стереолитография, CJI), Selective Laser Sintering (селективное лазерное спекание порошков, CJIC), Laminated Object Manufacturing (изготовление из листовых материалов, J1M).

Исследования рынка, проведенные фирмой "Terry Wohlers Consalting", показывают потенциальный спрос на услуги ТС больший на порядок, нежели сейчас. Однако препятствием для такого роста является высокая стоимость материалов и оборудования, недостаток ассортимента исходных материалов для изготовления моделей и недостаточно высокая точность изготовления. Таким образом, создание новых методов и перспективных материалов для изготовления моделей с высокой точностью и производительностью является важной задачей для индустрии JITC.

Цель работы:

На основании вышеизложенного была сформулирована основная цель данной работы:

- Исследование и разработка методов лазерного формирования трехмерных моделей с улучшенными характеристиками из термопластичных и термореактивных материалов и оптимизация лазерного оборудования для JITC по точности и производительности работы.

Реализация поставленной цели потребовала комплексного исследования, направленного на решение следующих основных задач:

1. Разработка новых материалов для JITC, позволяющих изготавливать функциональные прототипы.

2. Теоретический анализ физико-химических процессов при лазерном синтезе моделей из предложенных материалов с целью установления оптимальных режимов изготовления моделей.

3. Разработка улучшенных технологических схем для изготовления трехмерных моделей из предложенных материалов.

4. Оптимизация работы схем доставки лазерного излучения (СДЛИ) лазерного оборудования ТС по точности и производительности.

Методы исследования:

1. Анализ литературных источников и ресурсов сети Internet для определения задач исследования.

2. Использование теории взаимодействия лазерного излучения с веществом (ВЛИСВ).

3. Применение теплофизической теории при решении краевой задачи теплопроводности для расчета основных режимов лазерной обработки исследуемых материалов.

4. Экспериментальная проверка предлагаемых схемных решений и материалов.

5. Применение методов математического анализа и теории кинематики криволинейного двухмерного движения элементов СДЛИ для оптимизации алгоритмов управления

6. Методы инфракрасной спектроскопии для оценки характера взаимодействия лазерного излучения с исследуемыми материалами.

7. Применение методов оптической микроскопии для исследования результатов лазерного воздействия на исследуемые материалы.

Научная новизна диссертации:

1. Предложен ряд новых композиций для изготовления моделей из термопластичных и термореактивных материалов с учетом особенностей взаимодействия лазерного излучения с веществом и обоснована перспективность их применения:

- термореактивная порошковая композиция (ТРПК) на основе диановых смол с лазерной активацией процесса отверждения (образования трехмерной сетчатой структуры, ТСС).

- лавсановая пленка со слоем низкотемпературного термопласта, наполненного реактопластом, с образованием ковалентных связей между слоями в процессе изготовления;

- полимерная пленка с поглощающим покрытием с образованием когезионного характера соединения путем лазерной избирательной активации, либо коалесценцией материала в зоне контакта слоев;

2. Разработаны новые методы для изготовления 3-х мерных моделей из предложенных материалов, позволяющие, в частности, реализовать избирательное соединение слоев (по площади и по глубине) и в целом существенно улучшить свойства прототипов.

3. Установлены основные закономерности лазерного воздействия на предложенные материалы, позволяющие оптимизировать процесс лазерного 3D синтеза и достичь заданных свойств прототипов, в частности, выявлен режим нагрева, обеспечивающий достижения максимальной адгезии между слоями при минимальном времени воздействия.

4. Разработаны принципы и критерии оптимизации работы С ДЛИ для целей ЛТС по производительности и точности, повышающие эффективность их работы.

Основные результаты, выносимые на защиту:

- Схемные решения для лазерного 3D синтеза с принципиально новыми способами соединения слоев.

- Новые материалы для 3D синтеза по технологии JIM и предложенным схемным решениям - лазерная технология 3D синтеза из термореактивных и термопластичных (включая металлы) материалов.

- Критерии и принципы оптимизации работы СДЛИ по производительности и точности.

Научные положения:

1. Применение излучения лазера Nd:YAG для отверждения предложенного состава ТРПК в лазерном 3D синтезе позволяет на два порядка ускорить процесс полимеризации (образования ТСС) по сравнению с традиционными методами отверждения.

2. Предложенный метод лазерного 3D синтеза в совокупности с разработанными листовыми материалами позволяет изготавливать функциональные прототипы значительно более сложной формы, чем в технологии ЛМ, за счет лазерного избирательного соединения слоев.

3. Применение Nd:YAG лазера (Х=1.06мкм, cw) для целей лазерного 3D синтеза имеет преимущество по полноте полимеризации ТРПК по сравнению с СО2 лазером (АМО.бмкм, cw), а преимущество последнего по сравнению с указанным Nd:YAG лазером - в большей скорости монолитизации (плавления пленкообразователя).

Практическая ценность работы:

- Разработан ряд материалов и методика их применения для изготовления моделей. Предложенные и разработанные материалы имеют ряд преимуществ перед традиционными, применяемыми в технологии JIM и CJIC, среди которых высокая прочность на разрыв (сто.2 ДО 560-685 МПа), высокая химическая стойкость, повышенная рабочая температура (до 500°С), возможность вариации физико-химических свойств (упругость, время релаксации, молекулярный вес), что позволяет применять их в качестве функциональных прототипов.

- Разработаны принципы оптимизации лазерного оборудования для увеличения производительности и точности изготовления моделей.

Реализация на практике:

Результаты работы использованы при создании и технологической отладке JIM-установки для лазерного трехмерного синтеза "Карат-200" и составлении технического задания на установку для JITC "Карат-400". В ходе трехлетней эксплуатации установка "Карат-200" успешно применялась для изготовления прототипов, в том числе литейных моделей.

Личный вклад:

Автором непосредственно предложены, разработаны и экспериментально проверены схемные решения для ЛТС, предложены новые материалы для изготовления функциональных прототипов (в разработке состава ТРПК -принято участие). Проведен теоретический анализ процессов ЛТС из предложенных материалов, на основе которого предложены оптимальные режимы изготовления прототипов. Предложены некоторые новые критерии и принципы оптимизации работы СДЛИ.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях и симпозиумах: XII International conference for Power Gas

11

Lasers, 1998; Europto Conference on Computer Controlling microshaping, Germany, 1999; International Conference "Applied optics-96", Russia, 1996; " IX International conference Laser Assisted Microtechnology, Russia, 2000.

Структура и объем:

Диссертация состоит из введения, 5 глав и списка литературы. Содержит 150 страниц машинописного текста, включая 38 рисунков и фотографий, 3 таблицы.

Основные результаты работы

В процессе работы проведен анализ современного состояния в области лазерных технологий быстрого формирования трехмерных моделей (прототипов) которое является одним из наиболее многообещающих высокотехнологичных направлений, и выявлены наиболее актуальные проблемы, стоящие перед данным направлением: повышение точности изготовления прототипов, расширение ассортимента доступных материалов, снижение стоимости оборудования и материалов, что было учтено при постановке задачи данного исследования.

Исходя из требований, предъявляемых к функциональным прототипам определены наиболее перспективные материалы и процессы их применения, основанные на взаимодействии лазерного излучения с веществом, проведен их физико-химический и теплофизический анализ. Рассчитаны конкретные технологические режимы лазерной обработки двумерных слоев, позволяющие увеличить точность изготовления и режимы их соединения с максимальной скоростью без потери прочности.

Один из предложенных способов основан на избирательном автоматизированном соединении слоев материала вида лавсановая пленка со слоем низкотемпературного термопласта, наполненного реактопластом на основе диановых смол, что позволяет получать модели со сложной геометрией, и значительно упрощает процесс отделения отходов.

Также предложены схемные решения, обеспечивающие получение когезионного характера соединения слоев, с возможностью получения однородных, монолитных моделей.

Предложенные материалы и схемные решения проверены экспериментально. Произведены тестовые модели и проверены их свойства. Сняты экспериментальные зависимости точностных характеристик лазерной резки и монолитизации от параметров излучения.

128

С учетом влияния на конкурентоспособность моделей таких параметров, как точность и производительность работы лазерного оборудования, проведен анализ работы схем доставки лазерного излучения, применяемых в технологиях JITC.

Рассмотрены различные варианты оптимизации работы плоттерного устройства, предложены критерии для их выбора. Реализация предложенных алгоритмов с учетом специфики конкретного устройства возможна с помощью табличного программирования контроллера, управляющего устройством, либо с помощью внешнего сигнала с управляющего компьютера, содержащего все необходимые предыскажения. Решена задача нахождения закона управления для получения заданной траектории двумерного движения элементов плоттерных систем, характеризуемых такими параметрами, как максимальные скорость и ускорение. Получены принципы оптимизации траектории для получения закона управления приводами ДЭ с целью достижения заданной точности с максимальной производительностью изготовления модели, которые могут быть расширены на любую плотгерную систему с конкретными характеристиками.

1. "Wohlers Report 2000" Rapid Prototyping & Tooling State of the Industry Annual Worldwide Progress Report, Wohlers Associates, Inc.

2. Горюшкин В.И. "Основы гибкого производства деталей и машин", Минск; "Наука и техника", 1984.3. "QuickCast and Rapid tooling: a case history at Ford Motor Company" ISATAproc., Aachen, Germany.

3. Аскадский "Химическое строение и физические свойства полимеров" М.,1983.

4. Архив электронной конференции RP-ML: http://ltk.hut.fi/archives/rp-ml/subj ect.html

5. П.МосквитинН.И. "Склеивание полимеров" 1968, М.

6. Волков С.С. "Склеивание и напыление пластмасс" 1988, М.

7. Виноградов Б.А. "Лазерная деструкция полимеров" , Владивосток, "Дальнаука" 1995

8. Виноградов Б.А., Копылов В.В., "Лазерная резка неметаллических материалов" Л, 1987.

9. Тагер А.А. "Физикохимия полимеров" М, 1978.

10. А.Г. Григорьянц, А.А. Соколов "Лазерная обработка неметаллических материалов" М, 1988.

11. Энциклопедия полимеров т.1-3, М, 1972-1974.

12. Справочник по пластическим массам, М, 1978.

13. Harris S.T. J. Oil Col. Chem. Assoc. 1981, v.64, №9, p. 59-65.

14. Яковлев А.Д. Автореферат докторской диссертации, Л; ЛТИ им. Ленсовета, 1969.

15. Гегузин Л.Е. Физика спекания, М; Наука, 1967.

16. Яковлев А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий, Л; Химия, 1981.

17. Вейко В.П., Метев С. М., "Лазерные технологии в микроэлектронике", София 1992.

18. Чернин И.З. "Эпоксидные полимеры и композиции" 1982

19. Сокольский Ю.М. "Ультразвуковые и магнитные поля в химической технологии" СПб, 1992.26."Полимеры специального назначения" НИСЭ, Мир, 1983.

20. Минин "Нанесение покрытий в элетрическом поле" М, 1973

21. Гольдберг "Покрытия для полимерных материалов" М, 1980.

22. Димтер Л.М. "Клеевые вещества для пластиков" М, 1970.

23. Зайцев К.И. "Сварка пластмасс" М, 1978.31 ."Сварка полимерных пленок" М, 1965.

24. Белый "Металлополимерные системы" М, 1982.

25. ЗЗ.Омельченко "Эпоксидные смолы", Киев , 198034."Производство полимерных пленочных материалов в легкой промышленности" М, 1970

26. Яковлев А.Д. "Полимерные порошковые материалы и покрытия на их основе" Л, 1990

27. Зб.Охрименко "Химия и технология пленкообразующих веществ" Л,1978.

28. А.Д. Яковлев "Химия и технология лакокрасочных покрытий"Л; 1979

29. Кардашев Д.А. "Синтетические клеи". Л; 1983.

30. Кардашев Д.А. "Полимерные клеи". Л; 1979.40. "Optimization of plotting trajectory for precision 2D and 3D laser cutting "Veiko, Vadim P.; Yakovlev, A. G.; Timofeev, Boris P.; Proc. SPIE Vol. 3822, p. 184-191.

31. Helisys LOMLetter, volume 1, № 3.

32. Veiko V. P., Timofeev B.P. et al "Comparison of scanner and plotter systems for laser-assisted rapid prototyping technique".Proc. SPIE Vol. 3091, p. 49-57.150

33. Timofeev В.P., et al. "Peculiarities of scanner and plotter systems operation for rapid prototyping technique" Proc. SPIE Vol. 2993, p. 82-90, Lasers as Tools for Manufacturing II.

34. Ф.Ф. Водоватов, A.A. Чельный, В.П. Вейко, M.H. Либенсон "Лазеры в технологии". М.; Энергия, 1975.

35. В.П. Вейко, М.Н. Либенсон "Лазерная обработка". Л.; Лениздат, 1973.

36. М.Н. Либенсон, М.Н. Никитин "О термических искажениях рисунка при проекционном способе обработки пленок излучением ОКГ". ФХОМ, 1970, №5, 9-13.