автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Исследование технологических параметров изготовления пластмассовых образцов с применением лазерной фотополимеризации

Введение.

Глава 1. Информационный анализ технологий быстрого моделирования.

1.1. Современные технологии быстрого моделирования.

1.2. Развитие технологий быстрого моделирования в России.

1.3. Композиционные материалы на основе олигоэфиракрилатов.

Глава 2. Обоснование выбора объектов, методов исследования лазерной фотополимеризации.

2.1. Объекты исследования.

2.2. Получение ФПК с металлсодержащими кластерными системами.

2.3. Отверждение ФПК с металлсодержащими кластерными системами.32 2.4. Особенности технологического процесса изготовления пластмассовых образцов на стереолитографической установке.

Глава 3. Изучение взаимодействия лазерного луча с фотополимеризующейся композицией.

3.1. Математические зависимости лазерной фотополимеризации.

3.1.1. Получение лазерной линии-штриха.

3.1.2. Определение объемного параболического цилиндра.

3.1.3. Определение ширины лазерной линии-штриха.

3.2. Метод определения глубины отверждения лазерным лучом и критической энергии экспонирования.

3.2.1. Анализ результатов экспериментов.

3.3. Спектральный анализ - метод контроля лазерной фотополимеризации.

Глава 4. Разработка технологии изготовления пластмассовых образцов методом лазерной фотополимеризации.

4.1. Программное обеспечение лазерной фотополимеризации.

4.2. Подготовка компьютерной модели образца.

4.2.1. Регенерация и оптимизация компьютерной модели.

4.2.2. Разработка технологических переходов изготовления пластмассовых образцов.

4.3. Построение моделей образцов.

4.4. Анализ изготовления образцов методом плетения.

4.5. Исследование и подбор режимов фотополимеризации.

4.6. Диагностические тесты образцов.

4.7. Определение погрешностей и изучение влияния технологических параметров на точность изготовления образцов на стереолитографической установке.

4.7.1. Влияние технологических параметров на точность изготовления образцов.

4.7.2. Распределение значений измерений по координатам.

4.7.3. Определение систематической погрешности.

4.7.4. Исследование машинной точности.

4.7.5. Исследование точности тестовой детали.

Актуальность работы В настоящее время наблюдается тенденция ускоренного развития поисковых и прикладных работ в принципиально новом направлении технологии полимерных материалов, получившем название стереолитографии. В отличие от традиционных методов переработки полимеров процесс стереолитографии совмещает полимеризацию и создание модели нужной конечной формы и профиля. Это достигается использованием в качестве исходного вещества олиго-мерной композиции, которая подвергается нормированному лазерному воздействию, приводящему, в свою очередь, к локализованному отверждению фото-полимеризующейся композиции (ФПК) под действием лазерного облучения. Использование данной технологии дает возможность получать сложнейшие модели изделий за считанные часы, в то время как на изготовление этих же моделей обычными методами уходят месяцы. Технология практически не имеет ограничений и с учетом всех ее преимуществ находит широкое применение.

Стереолитография рассматривается как новая область технологии машиностроения, связывающая теорию математического моделирования, механику, вычислительную технику, химию и физику, а также такие важные прикладные направления, как материаловедение и автоматизированное проектирование.

В технологии стереолитографии конструкторские разработки и изготовление сложных моделей с высокой точностью объединены в единый технологический цикл. Поэтому отработка процесса изготовления моделей, выбор оптимальных для того или иного изделия материалов и эффективных технологических решений становятся актуальными для развития новых высоких технологий быстрого моделирования.

Вместе с тем, недостаточная изученность процесса лазерной фотополимеризации и постоянное совершенствование стереолитографических установок приводит к необходимости разработки новых технологических приемов и определению зависимостей технологических параметров от конструктивных осо6 бенностей установок и параметров ФПК, поэтому необходимо исследование технологических параметров лазерной фотополимеризации на лабораторной стереолитографической установке (ЛСУ) с учетом ее конструкторско-технологических особенностей изготовления пластмассовых образцов с применением отечественных фотополимеризующихся композиций.

Цель и задачи исследования

Целью данной работы является: определение взаимосвязи технологических параметров и характеристик получаемых пластмассовых образцов и разработка методики обеспечения заданной точности на основе теоретического и экспериментального исследования лазерной фотополимеризации с применением стереолитографической установки (с учетом особенностей применения отечественных фотополимеризующихся композиций на основе метакрилатных олигомеров на стереолитографической установке, изготовленной на базе малогабаритного модуля с ЧПУ).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать технологию изготовления пластмассовых образцов, провести теоретическое обоснование процесса лазерной фотополимеризации, исходя из особенностей созданной стереолитографической установки.

2. Определить условия и параметрические взаимосвязи при получении пластмассовых образцов из фотополимеризующейся композиции на основе ме-такрилатов.

3. Разработать оптимальную структуру программно-аппаратного комплекса, необходимую для получения образцов заданной точности.

На защиту выносятся следующие положения: 1. технология изготовления пластмассовых образцов на стереолитографической установке с использованием фотополимеризующихся композиций. 7

2. методика определения основных технологических параметров лазерной фотополимеризации, полученных на основе предложенных уравнений и зависимостей энергий излучения от мощности лазера и свойств композиций; глубины опускания технологической платформы от отношения максимальной энергии экспозиции к критической энергии экспозиции; ширины лазерной линии-штриха от глубины опускания технологической платформы и глубины отверждения лазерным лучом.

3. реализация технологического процесса изготовления пластмассовых образцов, основанной на конструктивных особенностях стереолитографической установки и активности фотополимеризующейся композиции на основе ме-такрилатных олигомеров с металлсодержащими кластерными системами, которая содержит олигокарбонатдиметакрилат (ОКМ-2), бутилметакрилат (БМА), триэтиленгликольдиметакрилат (ТГМ-3), диметоксифенилацетофе-нон (ДМФАФ).

Научная новизна

Впервые разработана технология изготовления образцов-моделей из оли-гомерных фотополимеризующихся композиций, содержащих металлорганиче-ские кластерные системы, и предложена методика определения основных технологических параметров лазерной фотополимеризации и параметров изготовления пластмассовых образцов непосредственно на стереолитографической установке. Для удобства расчетов технологических параметров введены понятия, а именно:

• максимальная энергия экспонирования;

• критическая энергия экспонирования;

• глубина отверждения лазерным лучом;

• ширина лазерной линии-штриха;

• расстояние (интервал) между лазерными линиями-штрихами;

• глубина опускания технологической платформы, 8 которые использованы в предложенных уравнениях и установленных новых зависимостях. Основные из них перечислены ниже: а) взаимосвязь энергий экспонирования с мощностью лазера и свойствами композиций; б) зависимость критической энергии экспонирования от энергии, которая необходима для отверждения композиции в определенном объеме при движении лазерного луча; в) зависимость глубины опускания технологической платформы от отношения максимальной энергии экспонирования к критической энергии экспонирования; г) взаимосвязь ширины лазерной линии-штриха с глубиной опускания технологической платформы и глубиной отверждения лазерным лучом.

Научная значимость работы

1. Для системного решения поставленной научной задачи автором впервые создана технология изготовления пластмассовых образцов на стереолито-графической установке из отечественных фотополимеризующихся композиций на основе метакрилатных олигомеров с металлсодержащими кластерными системами. Технология позволяет отработать пластмассовые образцы и композиции, оптимизировать изготовление моделей деталей и изделий в единичном и мелкосерийном производствах.

2. Через энергетические величины выведены зависимости глубины отверждения лазерным лучом от глубины опускания технологической платформы, а также зависимость ширины лазерной линии-штриха от диаметра лазерного луча, что дает возможность правильно устанавливать параметры изготовления пластмассовых образцов, и позволяет заранее предвидеть и своевременно устранить ошибки в управляющих программах, чтобы получить образцы с заданной точностью.

3. Теоретически обосновано и подтверждено экспериментальными исследованиями необходимость уменьшения расстояния между лазерными линиямиштрихами по горизонтали до 0,25 мм, с одновременным перекрытием лазерных слоев по вертикали. Это дает возможность получить качественные пластмассовые образцы и достигнуть заданную точность изготавливаемых образцов с необходимыми физико-механическими характеристиками.

Практическая значимость работы

Для конкретной композиции, содержащей олигокарбонатдиметакрилат (ОКМ-2), бутилметакрилат (БМА), триэтиленгликольдиметакрилат (ТГМ-3), диметоксифенилацетофенон (ДМФАФ) с металлорганической кластерной системой на основе ТГМ-3, полученной растворением медного порошка в ТГМ-3, определены оптимальные значения следующих технологических параметров лазерной фотополимеризации и изготовления пластмассовых образцов:

-у

• критическая энергия экспонирования (Екрит = 5,6 мДж/см );

• толщина единичного слоя (а = 0,25 мм);

• величина опускания технологической платформы первого слоя (Го.пл = 0,15 мм);

• ширина лазерной линии-штриха (Ьц, = 0,22 мм);

• расстояние (интервал) между линиями-штрихами = 0,25 мм);

• глубина опускания технологической платформы для второго и последующих слоев (Го п =0,2 мм);

• скорость сканирования (Ус = 10 мм/сек); у

• максимальное значение энергии экспонирования (Етах = 19,8 мДж/см ).

Результаты исследований были использованы на ОАО "Ижмаш" и могут быть применены при создании промышленных стереолитографических установок и технологии изготовления стереолитографических моделей.

Личный вклад автора

Личный вклад автора в проводимую работу заключается в разработке технологического процесса изготовления пластмассовых образцов на стереоли-тографической установке, в разработке ряда конструктивных изменений в сте

10 реолитографической установке, а также в разработке методик проведения экспериментов с использованием фотополимеризующихся композиций, содержащих металлорганические кластерные системы, и в анализе полученных результатов и их интерпретации.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на двух молодежных школах «Кластерные системы и материалы» (27-29 ноября 1997 г., ИжГТУ), «Высокие технологии быстрого моделирования и прототипирования» (11-13 декабря 1997 г., ИжГТУ), на VI Международной конференции по химии и фи-зикохимии олигомеров (Черноголовка, 1997), V Международной конференции «Компьютерное проектирование перспективных материалов и технологий (Байкал, 1997), XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт.-Петербург, 1998).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, получено 2 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка цитируемой литературы и приложений. Текст диссертационной работы изложен на 116 страницах, включая 41 рисунок, 7 таблиц и списка цитируемой литературы из 65 наименования.

Выводы по работе

1. Впервые разработана технология изготовления образцов-моделей из олиго-мерных фотополимеризующихся композиций, содержащих металлорганиче-ские кластерные системы, на оригинальной стереолитографической установке. Технология позволяет отработать пластмассовые образцы для испытаний, разработать (усовершенствовать) полимерные композиции, оптимизировать изготовление моделей деталей и изделий в единичном и мелкосерийном производствах.

2. Впервые создана методика определения основных технологических параметров изготовления пластмассовых образцов, которая позволяет определить скорость сканирования (движения лазерного луча), глубину опускания технологической платформы и ширину лазерной линии-штриха, а также методика процесса лазерной фотополимеризации, согласно которой можно найти глубину отверждения (лазерным лучом) и критическую энергию экспонирования.

3. Установлены зависимости: энергии экспонирования от мощности лазера и оптической плотности (экстинции) композиций; критической энергии экспонирования от энергии, необходимой для отверждения композиции в определенном объеме за временной промежуток при движении луча лазера; глубины опускания технологической платформы от отношения максимальной энергии к критической энергии экспозиции; ширины лазерной линии-штриха от глубины опускания технологической платформы и глубины отверждения лазерным лучом.

4. На основе выведенных зависимостей теоретически обоснована и подтверждена экспериментальными исследованиями необходимость уменьшить расстояние между "лазерными линиями-штрихами" по горизонтали до 0,25 мм с одновременным перекрытием "лазерно-отверждаемых слоев" по вертикали. Соблюдение этого условия дает возможность достижения заданной точности пластмассовых образцов, и получить необходимые физико-механические характеристики пластмассовых моделей.

100

Заключение

Развитие стереолитографии, по нашему мнению, будет происходить с уменьшением пассивной массы используемой жидкой реакционноспособной композиции, заполняющей емкость, путем «перехода» к струе этой композиции, а затем к компактируемому «фантому» аэрозоля. При этом предполагается изменение самой композиции за счет насыщения ее кластерными частицами, представляющими из себя многоядерные комплексы с реакционноспособными оболочками. Наряду с изменением состава и активности реагирующей на лазерные лучи отверждаемой смеси, предстоит изменение программных продуктов и оборудования. Существующие стереолитографические установки периодического действия в данном случае предлагается заменить стереолитографи-ческими установками непрерывного действия, в которых рой кластерных частиц с реакционноспособными оболочками компактируется в импульсном электромагнитном или электростатическом поле (в зависимости от природы ядра кластерных систем) с последующей проработкой внешних и внутренних поверхностей будущих моделей несколькими лучами УФ лазера. Такой метод позволит конструктору-технологу совместить процесс автоматизированного проектирования с изготовлением моделей. Допущенные ошибки при проектировании и изготовлении модели могут быть исправлены «вырезанием» ошибочных фрагментов с помощью луча ИК лазера и внесением исправлений за счет лазерной фотополимеризации.

В области развития быстрого прототипирования широкое распространение в мире получили так называемые НЕК-технологии. Здесь используются высокотехнологичные легкоплавкие сплавы или силиконовые каучуки. В некоторых случаях используемые сплавы представляют собой кластерные системы, содержащие металлическое ядро и кремний-оксидные оболочки. В свою очередь силиконовые формы получаются при взаимодействии реактантов двух-компонентной смеси.

Таким образом, развитие новых высоких технологий быстрого моделирования связано с комплексными исследованиями материалов и технологий.

98

1. Дж. Комб. Уход от литья (стереолитография) // Автомобильная промышленность США / 1990. - № 5. - С. 19-20.

2. Стереолитография автоматизирует изготовление прототипов деталей // Автомобильная промышленность США / 1991. № 7. - С. 29-30.

3. Тюкова А. Лазерная химия за рубежом (обзор) // Пластические массы. -1987.-№ 11.-С. 60-62.

4. Шепелов Г.В. Лазерная стереолитография новое направление в моделировании // Пластические массы. - 1994. - №1. - С. 51-53.

5. Mueller, Т., Applications of StereoLithography in Injection Molding. Second International Conference on Rapid Prototyping, University of Dayton, OH, Conference, June 23-26, 1991, pp. 327-333.

6. Adapted from an article on Cubital originally appearing in Rapid Prototyping Report, August 1991, p. 3, with permission of CAD/CAM Publishing, Inc.

7. Adapted from an article on Stratasys originally appearing in Rapid Prototyping Report, September 1991, p. 6, with permission of CAD/CAM Publishing, Inc.

8. Adapted from an article on Helisys originally appearing in Rapid Prototyping Report, June 1991, p. 1, with permission of CAD/CAM Publishing, Inc.

9. Adapted from an article on DTM originally appearing in Rapid Prototyping Report, October 1991, p. 2, with permission of CAD/CAM Publishing, Inc.

10. Adapted from an article on Sinterstation originally appearing in Rapid Prototyping Report, October 1991, p. 3, with permission of CAD/CAM Publishing, Inc.12. «Вестник машиностроителя», 1996 г. № 12. - С. 31-33.

11. Беневоленский И.Е. Теоретические основы технологии изготовления метал-лопластмассовых конструкций: Автореф. . д-ра. техн. наук. Ижевск, 1997.-38 с.

12. Rapid Prototyping (EOS) the company Electro Optical Systems Laser Sintering Foundry Sand. p. 31.18. «Литейное производство», 1993 г. № 9. - С. 3-5, 69-70.

13. Петриченко В.Н. Лазерная технология обработки материалов // Вестник машиностроения. 1996. - № 12.

14. Дебердеев Р.Я., Гарипов P.M. Некоторые технологические аспекты разработки композиционных материалов на основе олигомеров. Черноголовка. 1997. - 41 с. (Препринт АН РФ, Институт химической физики РАН).

15. Decker С. Инициированная излучением лазера полимеризация полифункциональных акрилатных систем. Polim. Photochem.- 1983. 3. № 2. -С.131-142.

16. Евсеев A.B., Марков М.А. Фотоинициированная излучением ХеС1-лазера полимеризация акриловых олигомеров. Квантовая электроника. 1994. - Т. 21.-№5.-С. 491-494.102

17. Ефремова A.A. Разработка олигоэфиракрилатных композиций лазерного отверждения для стереолитографии: Дисс. . к-та. техн. наук. Казань. - 1996. -144 с.

18. Маслюк А.Ф., Храновский В.А. Фотохимия полимеризационноспособных олигомеров. Киев: Наукова думка, 1989. - 192 с.

19. Берлин A.A., Королев Г.В., Кефели Т.Я. и др. Акриловые олигомеры и материалы на их основе. -М.: Химия, 1983. 232 с.

20. Маслюк А.Ф., Храновский В.А., Сопина И.М., Керча С.Ф., Грищенко В.К. Особенности послойной полимеризации жидких фотополимеризующихся композиций // Жур. науч. и прикл. фото и кинематографии. 1986. - Т. 31. -№ 6. - С. 423-427.

21. Патент на изобретение № 2119430 "Стереолитографическая установка".

22. Патент на изобретение № 2127444 "Фотополимеризующаяся композиция".

23. Кипнис А.Я. Кластеры в химии. М. : Химия, 1981; Химический энциклопедический словарь. М.: Сов. энц., 1983. - 259 с.

24. Савинский С.С. Свойства л-электронов углеродных нанотрубок // Кластерные системы и материалы / Тез. докл. науч. молод, школы 27-29 ноября 1997 г. Ижевск, 1997. - С. 35.

25. М. Kadawa, Н. Onodera, Н. Yamauchi, Y. Syono.TCP Int. News lett., 1993, v. 18, №3, p. 577.103

26. Пасынский A.A., Еременко И.JI. Химическое конструирование гетерометал-лических магнитоактивных кластеров. ЖВХО им. Д.И. Менделеева, 1987. -Т. 32. - № 1. - С. 88-95.

27. Елецкий A.B., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода // Успехи физических наук. 1995. - Т. 165. - С. 977-1009.

28. Яремко З.М., Федушинська Л.Б., Овчаренко Ф.Д. Дезагрегация порошков в жидких средах. Доклад АН Украины, 1993. - № 11. - С. 149-152.

29. H.N. Me Murray. J.Phys. Chew., 1993, v. 97, № 30, p. 8039-8045.

30. Беллами Л. Инфракрасные спектры сложных молекул. М.: ИЛ, 1963, 590 с.

31. Смит А. Прикладная ИК спектроскопия. М.: Мир, 1982.- 327 с.

32. Практикум по полимерному материаловедению. / Под ред. П.Г. Бабаевского. -М.: Химия, 1980. 256 с.

33. Бондарь Ю.В., Бондарь А.Ю., Кодолов В.И. Лазерная фотополимеризация олигоакрилатов, содержащих медьорганические комплексы // Межвузов104ский сборник научных трудов. Ижевск: Изд. УдГУ, 1998. Вып. 3. - С. 3241.

34. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. 2-е изд. М.: Химия, 1968. С. 536.

35. Лукомская А.И. Испытания резин // Энциклопедия полимеров. М.: Сов. энциклопедия, 1972. Т. 1. - С. 899.

36. Чиркова Е.И., Бондарь А.Ю., Бондарь Ю.В., Кодолов В.И. Применение ме-таллорганических кластерных систем в лазерной фотополимеризации. // Кластерные системы и материалы / Тез. докл. науч. молод, школы 27-29 ноября 1997 г. Ижевск, 1997. - С. 41.

37. Бондарь А.Ю., Бондарь Ю.В., Кодолов В.И. Исследование лазерной фотополимеризации. Разработка оборудования и технологии для лазерной фотополимеризации / Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 1997. -Т. 40. Вып. 6. - С. 68-70.

38. Техническое руководство по устройству и эксплуатации газовых лазеров. НПО «Плазма», Рязань, 1992.

39. Лаврова Л.Ф. Курс физики: Учеб. пособие. М.: Наука, 1983. - С. 172.

40. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М., 1965. С. 762.105

41. ГОСТ 24714-81. Лазеры. Методы измерения относительного распределения плотности энергии (мощности) излучения.

42. ГОСТ 25819-83. Лазеры. Методы измерения максимальной мощности импульсного лазерного излучения.

43. ГОСТ 25212-82. Лазеры. Методы измерения энергии импульса излучения.

44. Гмурман "Теория вероятности и математическая статистика"

45. KimuraN. et. Al., Когекагаку дзасси, I. Chem. Sect., 1976, № 12, p. 1960-1962.

46. Бондарь А.Ю., Бондарь Ю.В., Кодолов В.И. Экспериментальное определение технологических параметров на лабораторной стереолитографической установке. // Сб. трудов по матер, науч. молод, школ. Ижевск, 1997. - С. 253-255.

47. Hans Keune, Man Fred Augustin, Dietrich Demus, Ebernard Taeger. Chimica Ein Wissensspeicher. Veb Deutscher Verlag Fur Grundstoffmdust Rie. Leipzig 1972.

48. Bernhard. P. And Hunziker, M., (1990) Proc. Ist Nat. Conf. Rapid Prototyping. Dayton. Ohio. June 4-5, p. 79-85.

49. Bondar A.Ju., Bondar Ju.V. and Kodolov V.l. Computer design of laser photo-polymerization processes. / V International Conference. / Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies. August 4-6, 1997, Baikal Lake, Russia.

50. Козырев P.B. Лазерная стереолитография // Автомобильная промышленность, 1995.-№6.-С. 51-53.106