автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Компьютерное моделирование изделий сложных геометрических форм с экспертной оценкой получаемых прототипов и моделей для деталей приборостроения

На правах рукописи

Коробицын Андрей Иванович

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ФОРМ С ЭКСПЕРТНОЙ ОЦЕНКОЙ ПОЛУЧАЕМЫХ ПРОТОТИПОВ И МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ.

Специальность: 05.11.14. — "Технология приборостроения"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре "Конструкционные материалы, технологии и охрана труда» Московской академии рынка труда и информационных технологии.

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Рсзниченко Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Медведев Аркадий Максимович; Доктор технических наук, профессор Бойческо Юрий Павлович

Ведущая организация — ОЛО «Концерн « РТИ Системы »

Защита диссертации состоится " 30- 7/ 2006 года в часов на заседании диссертационного совета Д 850.001.01 при Московской академии рынка труда и информационных технологий (ГОУ "МАРТИТ") по адресу: 121351, г.Москва Молодогвардейская ул., д.46, корп.1., тел.(495) 149-86-38. л

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ "МАРТИТ". Автореферат разослан " ю? У " / О 2006 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор

Чересов Ю.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Конкурентоспособность предприятий определяется его высокими потребительскими свойствами и качеством выпускаемой продукции, ее надежность при эксплуатации так же оказывает существенное влияние на конкурентоспособность, поэтому от производителя продукции требуется непрерывное совершенствование производственного процесса. ^^ Методы формообразования деталей в приборостроении, как и в отраслях средств связи (телефонии), являются определяющими, т.к. от них зависят конфигурация, размеры и качественные показатели деталей. Многономенклатурное, интенсивно развивающееся производство требует сокращения сроков освоения выпуска новых деталей. Особую актуальность приобретает ускорение процессов проектирования и изготовления прототипов и моделей будущего изделия, так и производство технологической оснастки для формования деталей. Желательно сразу после автоматизированного проектирования детали переносить конфигурацию ее поверхности на формообразующие элементы оснастки (ФЭО), минуя длительные и трудоемкие этапы изготовления макетной оснастки, но этот процесс значительно усложняется tесли исходным носителем информации является эскиз, рисунок, старый чертеж или фотография.

Анализ существующих методов изготовления формообразующей оснастки ^^токазал, что для повышения эффективности ТПП деталей целесообразно использовать новые перспективные методы — технологии послойного объемного синтеза (нанесение слоев порошка с применением 3D принтеров и др.) конструкторских прототипов и Macrep-3D моделей формообразующих элементов оснастки (ФЭО) сложной конструкции.

В настоящее время на базе технологических принципов и систем ЧПУ в России разрабатываются, а за рубежом уже выпускаются 3D принтеры различных модификаций ( ZPrinter 310 System, Spectrum 2 510, Z810 System ) адаптированные

к ним порошковые полимеризуемые композиции (ГШК) и программное обес-печение{ПО) технологического послойного объемного синтеза ЗО моделей и прототипов.

Однако, структура алгоритмов и методика построения ПО скрыта от пользователя. Поэтому нет уверенности в их полной корректности по точности и достоверности реализуемых в них 313 моделей. В результате возникают различные проблемы, приводящие порой к материальным и временным затратам при создании технологических процессов синтеза новых деталей, оптимизации технологических параметров, переходе к отечественным 111 Ж, а также к информационной и технико-экономической зависимости отечественных производителей от зарубежных фирм, выпускающих оборудование, ППК и программные продукты.

В связи с этим представляется весьма актуальной задача исследования технологических особенностей ЗОпринтеров, установления и систематизации данных о наиболее важных закономерностях процесса склеивания порошка и технических средствах^ применяемых для получения конструкторских ЗО моделей и прототипов с требуемыми свойствами, разработки методик расчета и способов оптимизации технологических параметров, поскольку это позволит сформулировать алгоритм построения технологического процесса оперативного изготовления ФЭО и обоснованно осуществить его практическую реализацию. Целью работы является исследование закономерностей процесса ЗБ принтера и разработка на этой основе методик расчета технологических параметров формообразования 30 моделей и прототипов с функциональными свойствами, обеспечивающими оперативное получение ФЭО с заданными эксплуатационными свойствами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) провести комплексный анализ данных, посвященных процессу получения исходной информации для создания моделей и прототипов на ЗБ принтере, ис-

пользуя в качестве исходной информации полутоновые изображения^ полученные с различных установок,в том числе^с цифровых фотоаппаратов.

2) провести комплексный анализ данных, посвященных процессу изготовления моделей и прототипов ЗО принтером н определить закономерности полимеризации ПМ и ПКМ, лежащие в основе послойного объемного синтеза деталей под воздействием управляемой струи связующей жидкости, выделить технологические свойства ПМ и ПКМ и технологические параметры процесса формообразования ЗО моделей и прототипов.

3) Провести выбор, разработку и обоснование физико-математической модели^ полученной на ЗО принтере, отражающей взаимосвязь технологических свойств ПМ и ПКМ с технологическими параметрами процесса послойного объемного синтеза получаемых моделей.

4) Разработать методику расчета технологических параметров изготовления моделей и прототипов с применением ЗВ принтера, обеспечивающих получение моделей и прототипов деталей с заданными эксплуатационными характеристиками.

5) Разработать структуру технологического процесса сквозного проектирования и. изготовления ФЭО для оперативного производства малых партий деталей приборов.

Научную новизну имеют следующие результаты работы:

- комплексный анализ данных, посвященных применению различных установок для получения исходной информации с полутоновых изображений ;

- комплексный анализ данных, посвященных применению ЗО принтера;

- физико-математическая модель процесса изготовления моделей и прототипов с применением ЗО принтера, описывающая взаимосвязь между технологическими свойствами ПМ и ПКМ, технологическими параметрами процесса послойного объемного синтеза, техническими характеристиками оборудования и эксплуатационными характеристиками полученных моделей и прототипов деталей,-

- методика расчета оптимальных технологических параметров изготовления моделей и прототипов на ЗО принтере, обеспечивающих формирование моделей и прототипов деталей с заданными эксплуатационными характеристиками;

- алгоритм (функциональная модель) процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для производства малых партий деталей применяемых в приборостроении и средствах связи в том числе.

Практическая значимость работы и предлагаемых технических решений заключается в разработке:

- методики преобразования сложных полутоновых изображений в исходную информацию, позволяющей в аналитическом виде описать процесс моделирования и построения компьютерных моделей и прототипов и под воздействием управляемой струи связующей жидкости, обеспечивать получение моделей из порошковых материалов с заданными свойствами и конфигурацией;

- методики расчета технологических параметров изготовления моделей и прототипов на ЗР принтере, позволяющей в аналитическом виде описать процесс формообразования под воздействием управляемой струи связующей жидкости;

- технологических способов обеспечивающих геометрическую точность форм сложных моделей и прототипов в процессе проектирования и формообразования, обеспечивающих стабильность формы и размеров деталей;

-сквозного технологического процесса изготовления ФЭО с использованием методики повышения точности размеров и уменьшения шероховатости поверхности синтезируемых деталей за счет внесения коррективов в исходную информативную базу;

-способов снижения градиента степени конверсии порошкового олигомера в объеме деталей;

- способов повышения межслоевой прочности и изотропии свойств порошкового полимера, образующегося в процессе послойной полимеризации;

- функциональной структуры процесса изготовления ФЭО, основывающейся на базе новой производственной концепции «Системы компактного интегрального производства» ( СКИПр ), и подборе аппаратурного оформления, обеспечивающего оперативное изготовление ФЭО, а следовательно ускорение 11111 деталей в приборостроении.

Автор выносит на защиту:

- результаты анализа технологических возможностей получения компьютерных ЗО моделей с использованием в качестве исходной информации сложных полутоновых изображений ( эскиза, рисунка, цифровой фотографии );

- результаты анализа технологических возможностей формообразования деталей из полнмеризуемых порошковых композиционных материалов ( ПМ, ПКМ) на ЗО принтере;

• методику расчета технологических параметров и результаты моделирования процесса послойного объемного формообразования деталей из(ПМ, ПКМ ) на ЗО принтере;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований точности и производительности метода изготовления ЗО моделей и прототипов на ЗО принтере;

- результаты экспериментального исследования влияния технологических и эксплуатационных факторов на точность размеров и формы, физико-механические характеристики объемных моделей и прототипов;

- функциональную структуру сквозного технологического процесса оперативного проектирования и изготовления ФЭО с использованием мастер- моделей, изготовленных на ЗО принтере;

-изготовление по мастер — модели формообразующей оснастки из КМ ( композиционных материалов ) для последующего изготовления натурных изделий.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 26 ежегодной международной научно-практической конференции "Композиционные материалы в промышленности" Ялта 29 мая-2 июня 2006 г. Результаты работы в виде ноу-хау внедрены и используются при выполнении проектов создания прототипов изделий и формообразующей остнастки в СуЬегсош ЬТО (ООО "НИЦ Кибернетики и Автоматики") По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 196 страницах, содержит 14 таблиц, 80 рисунков и состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 87 наименований; объем приложений - 15 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель, научная новизна, практическая значимость результатов исследований и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены современные методы изготовления ФЭО. Анализ показал, что большинство из них имеют такой существенный недостаток, как необходимость многократного изготовления прототипов, шаблонов, макетов, мастер - моделей, а также вспомогательной оснастки. Их получение традиционными методами представляет достаточно трудоемкий, длительный, дорогостоящий процесс, требующий высококвалифицированного ручного труда, что удлиняет сроки подготовки производства, увеличивает трудоемкость и себестоимость новых изделий.

Этот недостаток можно устранить, используя методы быстрого прототипировал ия, основывающиеся на принципе послойного синтеза деталей сложной конфигурации, которые обеспечивают существенное ускорение цикла разработки и изготовления ФЭО. Представлен прогноз использования методов быстрого

прототипирования в течение ближайших лет. Показано, что применение 3 D принтера совместно с процессами трехмерного компьютерного моделирования и постпроцессами оперативного изготовления ФЭО обеспечивает высокую технико-экономическую эффективность ее использования в целях снижения сроков нш и сокращения трудоемкости производства.

Принципиальная схема процесса послойного синтеза порошковых материалов на 3 D принтере и основные параметры, от которых зависит качество получаемых изделий, представлены на рис. 1. Суть метода послойного синтеза порошковых материалов на 3 D принтере, заключается в последовательном послойном отверждении тонких (0.1-0.25 мм) слоев ПМ и ПКМ вдоль оси Z, в результате чего создается монолитная трехмерная деталь.

В основе формообразования детали лежит механизм послойного инициированного отвердевания ПМ и ПКМ под воздействием управляемой струи связующей жидкости. Движение (X — У- сканирование) струи связующей жидкости по поверхности формируемого слоя управляется программой компьютера. Двумерная форма каждого отдельного слоя соответствует конфигурации определенного поперечного сечения детали, предварительно спроектированной на ЭВМ посредством трехмерной САПР

и специализированных программ 3 D принтера по «рассечению» модели на тонкие плоскопараллельные слои. Производительность процесса возрастает вместе с ростом активности связующей жидкости, увеличением скорости сканирования струей связующей жидкости и по мере повышения проникающее- поглощающей способности порошковых материалов. После последующей просушки и при необходимости финишной механообработки CJI — модель используется в качестве мастер - модели для изготовления ФЭО или при соответствующем подборе порошковых материалов, в качестве пресс- формы. Во второй главе приведены результаты анализа и исследований способов и методов получения исходной информации для создания моделей и прототи-

пов на ЗО принтере, используя в качестве исходной информации полутоновые изображения ^полученные с различных установок^ том числе^с цифровых фотоаппаратов.

Сегментация. Очень часто, глаз человека является конечным звеном при решении множества важных задач, успешное решение которых во многом зависит от эффективности восприятия графической информации оператором. Таким образом, особую важность приобретают вопросы формирования, зрительного восприятия и преобразования изображений, а также автоматизации процессов, связанных с обработкой видеоинформации и анализом данных[1].

Примерами таких задач могут служить автоматизация ввода чертежей и распознавание рукописных символов, автоматическая обработка и анализ данных дистанционного зондирования Земли со спутников, обработка рентгенограмм, медицинских и металлографических изображений [2 ]

В качестве примера использования гистограммного подхода к сегментации изображений, рассмотрим задачу разделения фаз на полутоновых изображениях сечения трубы нефтепровода (реконструкция по проекциям, полученным рентгенографическим путем). Такие изображения представляют собой результат работы алгоритма реконструкции, например, с помощью фильтра Калмана [ 3 ], и используются как графическая интерпретация вероятностной картины состояния трех фаз (вода, воздух, нефть) в трубе в текущий момент времени.

Сегментация заключается в применении модифицированного алгоритма От-су к гистограмме яркостей изображения А':

где 1 - текущий номер яркости, а и - параметр сглаживания (размер скользящей области).

П

(1)

Широко известный алгоритм Отсу [J] заключается в делении гистограммы яркостей на два интервала, вычисляя оптимальное пороговое значение для бинаризации изображения. Пиксели делятся на два класса: Ct в интервале яркостей [О.....í] -м.

С2[М- 1. ...,255]. Согласно Отсу, для вычисления оптимального порога г необходимо определить максимальное значение дисперсии между двумя классами:

о2 -ш, (ni-Hj-hBiOfc-n)1 (2) где р - средняя яркость изображения, coi и coa - суммы вероятностей присутствия i-ой яркости изображения в классе О и Сз, соответственно, pi и pi - средние значение распределений вероятностей классов Q и Сз.

Выбор подхода при разработке методов сегментации должен быть обоснован областью применения этих методов. Среди множества алгоритмов сегментации нет универсального способа выделения объектов, и не существует общего решения, позволяющего получить удовлетворительные результаты для любых типов изображений;

Самым простым примером может послужить выделение и распознавание сигналов, полученных от датчиков, например в системе интерактивного мониторинга компании «Вымпелком»[}],при проектировании в 3D прототипов и моделей Ц>], при неразрушающих методах исследований или контроля в [3]. В качестве примера сегментированного сигнала датчика на рис. 1 показан график текущих значений датчика.

г'ТТ« Ar.Jft*fT|r<¿lt.*?H "

Х2 »*М

Mif С»«АММ

Парис. 2 приведена сложная секторная диаграмма, которая одновременно изображает четыре уровня иерархии системы

Векторизация. Смежной проблемой, объединяющей разные направления, является векторизация и разработка "органов технического зрения" роботов, производящих автоматическое разбиение яркостей, выделение объектов, анализ текстур, определение включений, фильтрацию и т. п. операции, без которых исходное изображение представляется очень сложным для восприятия [1,2,3].

11 "«■ .«В, «и ■ |11 ! 41; 1 1 > .'пгяъ. з! 4 4

1 -и^.- г -Г&" ~в! : Чг а.з —1 1-1 9 8*1 а*1 51=

ад

Рис. 3. Использование стандартных или настроенных шаблонов распознавания.

ружность, полили ншо.

Системы оцифровки изображений. В тех случаях, когда требуется дизайнерская проработка изделия или его восстановление с использованием в качестве прототипа или мастер- модели очень часто пользуются системой оцифровки изделия или его изображения. Обзор разработок систем оцифровки изображения, основанных на триангулировании и интерференционном проецировании, началась десять лет назад. Такие системы производят сканирование поверхности произвольной формы в трех измерениях. Сегодня эффективные системы оцифровки используются в промышленности, а также применяются в процессе разработки продукции. Для формирования' быстрого обмена с САПР и системами быстрого моделирования обычно требуется формат БТЪ с разбиением поверхности на треугольные фрагменты. В системах контроля качества также часто используются оригинальные данные сканирования или прошедшие обработку данные, которые служат для сравнения фактической геометрической формы детали с ее моделью.

Поверхности произвольной формы могут представляться в виде контуров в трехмерном пространстве, которые не могут быть описаны с помощью стандартных геометрических форм.. На рис. 5 и 6 показан контур мотоциклетного сиденья в виде чертежа САПР и затененного изображения.

Рис.5.Чертеж САПР. Рис.б.Затененное изображение.

В общем, конструирование все еще начинается с физической модели оцифровки затем обеспечивает исходные данные для моделирования поверхности.

Исследования процесса восстановления формы объемных тел по полутоновой информации системой технического зрения. При оцифровке

плоских деталей автором работы [2,3 ] было предположено, что точность восстановления формы объекта зависит от факторов, формирующих условия съемки, и от вида обработки изображений. К факторам, формирующим условия съемки, были отнесены: вид аппаратных средств; расстояние от телевизионной камеры до объекта; величина диафрагмы; освещенность; форма детали; контрастность между фоном и объектом и т.п. Также проанализированы факторы, влияющие на точность при обработке цифровых изображений.

Решение данной задачи стало возможным только, после того, как было разработано математическое и программное обеспечение, позволяющее полностью автоматизировать процесс обмера плоских деталей на базе СТЗ- ( средств технического зрения). Разработанное программное обеспечение было апробировано на действующем программно-техническом комплексе.

Рис.7. Экспериментальная установка технического зрения ( СТЗ ). Меру совпадения контуров предлагается вычислять с помощью "колоко-лообразной" функции:

О"

где: £>- параметр "кол околообразной" функции, характеризующий расстояние, на котором значение £ уменьшается в два раза;

й - расстояние между контурами; п - степень, варьируя которой можно менять форму "колоколообразной" функции; 1 - порядковый номер эталонного объекта; 1 - номер точки эталонного объекта.

Рис. 8. Пример получения объемного изображения с использованием Установки технического зрения и «колоколообразной » функции. Комплекс бесконтактного измерения и подготовка исходной информации. Назначение: бесконтактное измерение видимых поверхностей жестких и эластичных объектов независимо от состояния материала (твердого; сыпучего, аморфного, жидкого) н сплошности формы поверхности (отверстия, пазы и т.п.); контроль геометрических характеристик устойчивых и медленно изменяющихся форм поверхностей объектов, диагностика состояния объектов,. а также подготовка исходных данных для программ управления станками с целью изготовления копий объектов.

Рис. 9. Комплекс для бесконтактного измерения. Последовательность преобразования полученных дашшх.

I. мяссиь 1ДОСХ подерхности х.у.г

При многопозиционном измерении производится несколько последовательных измерений при повороте объекта и неизменном положении камеры и проектора. Затем производится сшивка результатов измерения и преобразование их в единую поверхность.

Комплекс для бесконтактного воспроизведения видимых поверхностей жестких и эластичных объектов.

Назначение: бесконтактное воспроизведение видимых поверхностей жестких и эластичных объектов независимо от состояния материала (твердого; сыпучего, аморфного, жидкого) и сплошности формы поверхности (отверстия, пазы и т.п.); контроль геометрических характеристик устойчивых и медленно изменяющихся форм поверхностей объектов, диагностика состояния объектов, а также подготовка исходных данных для ЗО принтера с целью изготовления 30 модели или прототипа из порошковых материалов на ЗО принтере.

2. пртасаснне даииых к ретуляроому «пну

3. Гфеобрааомнне дризих 1 гдоюрхмость

Последовательность съема информации с объекта и использование полученной информации:

- на объект направляется структурный световой поток от специальных лампочек.

- отраженный объектом поток воспринимается цифровыми фотокамерами.

- Фотографирование фотокамерами производится синхронно, при этом расстояние до фотокамер должно быть выверено с допуском + - 1, как по высоте, так и от фотокамеры до объекта

• полученные снимки фронтального и профильного изображения объекта перемещаются в компьютер на обработку копий объектов.

- в компьютере полученные изображения объектов обрабатываются с помощью программы 3 D Me Now professional 2, с целью получения 3 D модели пригодной для дальнейшего использования на 3 D принтере.

- обработанная специальной программой 3 D принтера, 3 D модель фотографии или рисунка, а также любого 3-х мерного объекта, воспроизводится в нужном масштабе в виде 3-х мерной твердотельной модели из порошковых материалов.

На рис. 1 (^Последовательность получения 3D модели с полутоновых изобра-

жений сложной формы и на последующих рисунках - последовательность преобразований полученных фотографий в 3 Б модель.

Рис. 11 Создаем голову персонажа из ранее полученных геометрических разверток модели.

В треп&*< главе приведены результаты комплексного исследования метода послойного синтеза порошковых материалов на 3 Б принтере.. В результате поиска, систематизации и анализа опубликованных работ по использованию послойного синтеза порошковых материалов на 3 О принтере изучены условия взаимодействия струи связующей жидкости с ПМ и ПКМ, проведен анализ свойств ПМ и ПКМ для послойного синтеза порошковых материалов на 3 О принтере;

Анализ закономерностей формирования отеержденного слоя. Различие в скорости полимеризации на разной глубине слоя ПМ и ПКМ приводит к различию в степени отверждения порошкового материала. Для образования равно-толщинного слоя с одинаковой степенью превращения ПМ предлагается специальный алгоритм облучения- штриховка поверхности ПМ и ПКМ проходами

струн связующей жидкости с шагом сканирования к, позволяющим создать зону эффективного перекрытия смежных полос и отверждаемых -слоев. Условия выбора оптимального значения шага сканирования. Из рис Л 2 видно, что

образование плоской пластины из единичных полос шириной 2го происходит, если шаг смещения к £2го. При большом шаге смещения нижняя сторона пластины имеет волнообразное строение с толщиной, изменяющейся от 6 тт.- до 5 min, величина которой зависит от к.

При к = 2го параллельно отвержденные полоски соприкасаются друг с другом по линии. С уменьшением к полоски отвержденной ПМ и ПКМ перекрывают друг друга, образуется зона перекрытия т| = 2го - к. В зоне перекрытия значение энергетической экспозиции суммируется, т.е.суммарное воздействие в некоторой точке отверждаемого участка ПМ и ПКМ будет равно сумме доз воздействия струи связующей жидкости перекрытия. Таким образом( в этом месте увеличивается степень воздействия на ПМ и ПКМ и толщина отвержденного слоя (рис. 12 б), причем наибольшее увеличение толщины происходит в точке зоны перекрытия с координатой т] /2,

Ш1|М1Ми 6« переяфьг.ня «ижных

Штрих«» с мрнрышем «Ы4жм|н трем

1р«ПН

«1

Отмрчшятия плоя

\ у у у 7~

Ран« сформнроик^ слой

Штрихов«* « перекрытием емтют треков м евовв

РисЛ2 аДв, Механизм послойного отверждения ПМ и ПКМ

Дальнейшее увеличение зоны перекрытия будет приводить к увеличению толщины образующейся пластины:

^^мц^вчК-ггуДдш,,} ..(б)

кн. г^и-П -(21Уй)(1/Ь ..о)г

Пластина с постоянной толщиной, §жя .когда в т. пересечения профилей полос толщина полосы будет равна Зтш /2. Координата точки пересечения Профилей отвержденных единичных полос равна:

Величина шага сканирования к в этом случае будет равна:

— гЛ / (9)

ЖЖ 46"»!§>* 1

Т1 = 2г9 - к.= 2ю - го = 2го( 1- 0,5 ■ 1 ) (10),

Уменьшение толщины полимеризуемого слоя при неизменном значении Но приводит к появлению зоны I перекрытия смежных слоев (рис.^?^/. Механизм компенсации усадочных напряжений.

Дня уменьшения усадочных химических напряжений, возникающих при послойном синтезе детали, предлагается следующие технологические приемы: г;..-" ■■-г г;.- - . '-.-1*' г*.-...,: г.™ - г т'- —1™'-1) Синтез детали на подушечном слое порошка. Компенсация усадочных напряжений осуществляется за счет податливости порошковых материалов на первой стадии формирования детали. Сканирование поверхности ПМ и ПКМ при отверждении очередного поперечного сечения детали прерывистыми линиями (штрихами). Технологические зазоры между штрихами позволяют частично компенсировать усадку ПМ и ПКМ при формировании полос в плоскости Х- У, поэтому напряжения в отверждаемой полосе уменьшаются.

2) Проведение полимеризации каждого последующего слоя в два этапа. На первом этапе контур сечения детали формируемого слоя присоединяется к предыдущему. Слой, формируемый внутри контура, отверждается на такую толщину, чтобы между ним, контуром и нижележащим слоем образовался небольшой зазор (рис.13), обеспечивающий полную реализацию усадки ПМ и ПКМ в слое. При повторном проходе (второй этап) осуществляется дальнейшая полимеризация ПМ и ПКМ в зазоре, при этом отверждаемый слой прочно соединяется с предыдущим. Такой механизм позволяет снизить остаточные напряжения и повысить размерную точность формируемой детали.

/ МКЯИИМЩЯИ

Рис.13. Схема послойного отверждения порошковых материалов.

Изготовление мастер - .моделей и прототипов на Зи принтере. Принципиальная схема процесса послойного синтеза порошковых материалов на 3 О принтере и основные параметры, от которых зависит качество получаемых изделий, представлены на рис. 12.

Суть метода послойного синтеза порошковых материалов на 3 О принтере , заключается в последовательном послойном отверждении тонких (0.1-0.25 мм) слоев ПМ и ПКМ вдоль оси 21, в результате чего создается монолитная трехмерная деталь.

В основе формообразования детали лежит механизм послойного инициированного отвердевания ПМ и ПКМ нод воздействием управляемой струи связующей жидкости. Движение (X - У - сканирование) струи связующей жидкости по поверхности формируемого слоя управляется программой компьютера.

Программное обеспечение представляет объемную модель, построенную в 3D CAD- приложении, в виде слоев толщиной 0.0875 - 0.1 мм, далее принтер печатает слой за слоем, сгг основания до верха.

В принтере расположены два поршня (см. рис.14 ). Поршень подачи порошка расположен на рисунке слева и изображен в нижнем положении, заполнен порошком. Поршень, на котором формируется изделие, расположен на рисунке справа и изображен в верхнем положении. На рисунке также представлен валик (в виде круга) и каретка с печатающими головками (в виде квадрата). Валик и каретка закреплены на раме, которая горизонтально перемещается над областью формирования изделия.

РГ h: [îfor п.,шЛ

Шаг î. П.:

1 0;jl[| Q^UM

1U*T S ITOf^WAli

Рис.14. Схема работы ЗЭ принтера при изготовлении изделий из ПМ и ПКМ

В процессе печати валик создает слой порошка необходимой толщины, печатающие головки наносят связующую жидкость и формируют слой изделия, а также соединяют слои между собой.

Поршень подачи порошка расположенный на рисунке слева и изображен в нижнем положении заполнен порошком. Поршень, на котором формируется изделие, расположен на рисунке справа и изображен в верхнем положении. На рисунке также представлен валик ( в виде круга) и каретка с печатающими головками ( в виде квадрата }. Валик и каретка закреплены на раме, которая горизонтально перемещается над областью формирования изделия.

Поршень подачи порошка перемещается на толщину слоя вверх, а поршень на котором формируется изделие, на толщину слоя вниз, далее валик наносит новый слой порошка и процесс повторяется до полного формообразования изделия.

Данный процесс повторяется автоматически без участия оператора до тех пор, пока из слоистых элементов не сформируется трехмерный объект заданных размеров н конфигурации. Полученное изделие извлекают из ванны , отделяют от порошкового материала, промывают, доотверждают, зачищают и используют по назначению.

Рис.15 Цифровое фото и реальная физическая мастер-модель изготовленная на 3D принтере - адекватны.

Технологические возможности 3D принтера Z Corporation дают возможность: 1 Делать анализ с использованием метода конечных элементов,

2. Создавать модели для презентаций.

3.Использовать литьё по выплавляемым моделям.

4.Моделировать новые разработки.

5. Возможность изготовления эластичных изделий.

6. Изготовление пресс-форм»

7. Создание функционирующих прототипов.

8 Использовать метод прямого литья Z Cast.

9. Возможность гальванической обработки изделий (мастер — моделей).

Область изготовления моделей с использованием ЗЭ принтера практически не ограничена. Он может использоваться для создания прототипов элементов и деталей автомобилей, самолетов, кораблей, станков и различных механизмов, суставов человека; при изготовлении формообразующих деталей оснасткн; научном анализе сложных поверхностей, топографических карт, объемных моделей молекул, объемных моделей архитектурных изделий и других структур М ].

В четвертой главе, состоящей из двух разделов, приведена разработанная технология оперативного изготовления формообразующих элементов оснасткн с использованием мастер- моделей^ изготовленных методом послойного синтеза порошковых материалов на ЗБ принтере.

В первом разделе рассмотрена новая концепция производства - система компактного интегрального производства (СКИПр), послужившая основой разработки сквозного технологического процесса изготовления ФЭО. Базируясь на использовании современных компьютерных технологий совместно с высокотехнологичным оборудованием, система СКИПр исключает повторный ввод и многократную обработку технологической информации, обеспечивает ее преемственность и сохранность на всех стадиях производственного процесса. Благодаря технологической гибкости система СКИПр позволяет разработчику быстро реагировать на требования рынка путем изменения конструкции изделий и обеспечивает ускоренный переход от массового к мелкосерийному производству.

В целях практической реализации сквозного процесса оперативного изготовления ФЭО разработана функциональная модель, поясняющая принцип действия системы СКИПр (рис.16). Верхняя часть диаграммы описывает СКИПр как функцию, в основе которой лежит преобразование входных переменных (информационных и материальных потоков): (1], 12, Ь, 14, Ь). (М[, Мз, Мз)(С), Сг) -в выходные результаты системы СКИПр

Г —^____

V___.|(—. п — -.-ч СНЯЦр

— -----------* Г I --1

Рис Л 6. Функциональная модель СКИПр

( Оц Оз» ). Нижняя часть схемы детализирует верхнюю, описывая

пять главных функций{ подсистем) системы СКИПр: А| - исследование конъюктуры рынка ( маркетинг); Аг, - техническая подготовка производства; Ая- быстрое прототипирование; Ад, - оперативное изготовление формообразующей оснастки; А) - мелкосерийное производство продукции. Согласно структуре СКИПр выходные данные О) каждого из предшествующего подпроцесса А] одновременно являются входными данными для последующего. Второй раздел посвящен разработке сквозного технологического процесса оперативного изготовления ФЭО с использованием мастер — моделей изготовленным на ЗО принтере. Структурное построение ТП оперативного производства ФЭО и последующего мелкосерийного производства деталей из ПМ и ПКМ основано на принципе сквозного взаимодействия подсистем СКИПр. Все его составные элементы (подпроцессы А1, А2, Аз, А4,А$ объединены в единую информационно - технологическую базу. Основные выводы:

1.В результате анализа методов изготовления ФЭО установлено, что для повышения их эффективности целесообразно использовать методы быстрого прототип ирования, основывающиеся на послойном синтезе деталей сложной формы. Рассмотрение технико-экономических предпосылок различных видов ТПС показало, что по совокупности технологических и экономических

показателей быстро занимающим ведущей место на ряду с методом лазерной стереолитографии, является метод послойного синтеза на ЗО принтере. 2.В результате анализа и проведенных экспериментальных исследований сделан вывод о том, что- поверхности с их плавными изгибами формы

прекрасно подходят для моделирования объектов, полученных с полутоновых изображений имеющих органическую природу, но работа с такими поверхностями требует развития определенного чутья, приходящего с опытом в процесс настойчивого экспериментирования. Поведенные в рамках выполнения данной работы экспериментальные исследования позволили автору создать из полутоновой исходной информации- геометрическую модель "МАХ- головы", поместив эту модель в ЗО принтер была изготовлена "мастер - модель" для прототип ирования ФЭО, методом послойного синтеза порошковых материалов с воздействие на них струи связующей жидкости. 3 .Комплексный анализ метода послойного синтеза на ЗО принтере позволил определить его технологические возможности, провести классификацию технологических факторов, оказывающих влияние на качество и скорость изготовления СЛ- моделей ФЭО, выделить технологические свойства ПМ и ПКМ и технологические параметры процесса формообразования прототипов деталей, а также разработать математическую модель процесса послойного синтеза на ЗО принтере, отражающую взаимосвязь технологических свойств ПМ и ПКМ с параметрами технологического процесса послойного синтеза деталей на ЗО принтере под управлением специального программного обеспечения.

4. На основе разработанной математической модели создана методика расчета технологических параметров процесса формообразования, позволяющая в аналитическом виде описать процесс синтеза под воздействием управляемого послойного синтеза порошковых материалов на ЗО принтере, обеспечивающая получение мастер- моделей и прототипов с ФЭО заданных свойств и конфигурации при минимальных материальных,

энергетических и временных затратах. Это позволит на практике достичь следующих преимуществ перед традиционными ТП изготовления формующей оснастки:

- снижения трудоемкости изготовления ФЭО в 1,5-3 раза;

- снижения на 50-80% раз издержек на Hill и стоимости изготовления ФЭО;

- сокращения в 3-5 раз временного цикла ТПП новых деталей;

- уменьшения в 2-3 раза себестоимости производства новых деталей, что имеет существенное значение для общего приборостроения.

5. Экспериментально-теоретическими исследованиями показано,

что на точность и производительность процесса послойного синтеза порошковых материалов на 3D принтере оказывают влияние следующие факторы:

- расположение детали в рабочей зоне (выбор технологических баз);

- усадка ПМ при отверждении и коробление деталей при дополнительной обработке (до полимеризации);

- точность сканирования струе жидкости в плоскости х-у и точность позиционирования платформы;

- характеристики струи жидкости диаметра фокусирующего- формирующего отверстия катритджа принтера (интенсивность, значение энергетической экспозиции, пятна);

- толщина полимеризуемого слоя (с учетом перекрытия смежных слоев).

6.Показано,что геометрическая стабильность и точность СЛ- моделей существенно зависят от типа ПМ и ПКМ, завершенности процесса полимеризации, воздействия окружающей среды. Повышения стабильности формы и точности размеров, уменьшения шероховатости поверхности синтезируемых моделей, снижения градиента степени конверсии олигомера в объеме и величины остаточных усадочных напряжений в процессе формообразования можно добиться, применяя разработанные в диссертации методики и рекомендации по выбору величины перекрытия н толщины полимернзуемых ( отверждаемых ) слоев,

учету усадки ПМ, ПКМ и при пусков на последующую доработку модели, а также приемы, которые обеспечивают свободное протекание в полимере оптимальной усадки.

7. Разработана концептуальная модель СКИПр в виде функциональной диаграммы, поясняющей принцип построения технологии оперативного проектирования и изготовления ФЭО по мастер — моделям ( изготовленным на 3D принтере. На основе этой диаграммы предложена структура сквозного (по принципу передачи и обработки информации) технологического процесса проектирования и изготовления ФЭО, характеризующаяся рациональным использованием производственных ресурсов и позволяющая приступить к практической реализации технологии оперативного изготовления ФЭО с использованием мастер- моделей и прототипов^ изготовленных на 3D принтере, и решить поставленную в работе актуальную научно-техническую задачу. Основные положения диссертации отражены в следующих работах: 1 .Коробицын А.И « Комплексная технология САПР на базе систем автоматизированного проектирования, анализа, изготовления и управления; «От дизайна до изготовления» .Вестник MAP ТИТ № 19,2005 г. г.Москва. 2.Коробицын А..И. « Моделирование технологических процессов и систем в информационном пространстве».Вестник МАРТИТ № 19,2005 г. г.Москва. 3 .Коробицын АЛ Сегментация как новый подход к распознаванию полутоновых и цветных изображений при их автоматической обработке»,Вестник МАРГИТ- Да 21,2005 г. г. Москва.

4. Коробицын А.И. « Технологические методы изготовления моделей и прототипов" Вестник МАРТИТ № 22,2005 г. г. Москва.

5. Коробицын А.И., Резниченко В. И, Давыдов В.И. Применение базальте пластика для создания шумопоглогцающих панелей. В сб. трудов 26 ежегодной международной научно-практической конференции "Композиционные материалы в промышленности" Ялта-Киев (УИЦ "НАУКА, ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ", 2006 г., 515 стр

Список используемых сокращений.

Введение.

1.Повышение эффективности изготовления формообразующих элементов оснастки для производства деталей приборов широкого назначения.

1.1 Актуальность использования ПМ (ПКМ) в технологии приборостроения.

1.2.Потребность в оперативном изготовлении технологической оснастки

1.3. Обзор традиционных методов изготовления технологической оснастки для производства деталей приборов.

1.3.1. Традиционные методов изготовления формообразующих элементов оснастки (ФЭО) для производства деталей приборов.

1.4. Традиционные современные системы автоматизированного проектирования и изготовления пресс- форм для литья термопластов под давлением на термопласт-автоматах.

2.0сновные закономерности преобразования исходной информации в виде полутонового изображения (чертежа, рисунка, фотографии ) в компьютерную модель сложной формы.

2.1.Общие подходы к моделированию технологических процессов и систем в информационном пространстве свойств

2.2.Проблемы проектирования и применения моделей и прототипов при изготовлении изделий сложной геометрической формы

2.3.Новый подход к распознанию полутоновых и цветных изображений при их автоматической обработке.

2.3.1. Сегментация.

2.3.2.Векторизация

2.3.3.Системы оцифровки изображений.

2.4.Постановка общих задач исследования по получению исходной информации с полутоновых изображений.

2.4.1. Исследование точностных характеристик систем технического зрения при оцифровки плоских деталей сложной формы

2.4.2.Комплес бесконтактного измерения и подготовки исходной информации.

2.4.3. Комплекс бесконтактного воспроизведения воспроизведения видимых поверхностей жестких и эластичных объектов.

3. Основные закономерности послойного синтеза деталей из полимеризуемых порошковых композиций методом изготовления на 3D принтере.

3.1. Физико-механические основы процесса полимеризации порошковых композиций.

3.1.1. Предпосылки использования 3D принтеров в процессах послойного синтеза деталей.

3.2. Анализ закономерностей послойного синтеза порошковых материалов на 3D принтере.

3.2.1. Аналитическое исследование закономерностей процесса полимеризации ПКМ струей связующей жидкости.

3.3. Взаимосвязь технологических характеристик порошковых материалов, связующей жидкости и технологических параметров процесса отверждения порошковых материалов на 3D принтере.

3.3.1. Анализ закономерностей формирования отвержденного слоя.

3.3.2. Анализ алгоритма выращивания слоев в процессе послойного синтеза

СJI-моделей на 3D принтере.

3.3.3.Исследование влияния технологических факторов послойного синтеза порошковых материалов на шероховатость поверхности модели.

3.3.4. Способы снижения усадочных напряжений.

3.3.5. Обеспечение точности линейных размеров CJI-моделей.

4.Разработка технологии оперативного изготовления формообразующих элементов оснастки с использованием метода послойного синтеза порошковых материалов на 3D принтере.

4.1. Разработка концептуальной модели " Системы Компактного Интегрального Производства" (СКИПр).

4.2. Упрощенные методы изготовления ФЭО оснастки.

4.3.Технологические возможности 3D принтера

Актуальность работы. Конкурентоспособность предприятий определяется его высокими потребительскими свойствами и качеством выпускаемой продукции, ее надежность при эксплуатации так же оказывает существенное влияние на конкурентоспособность, поэтому от производителя продукции требуется непрерывное совершенствование производственного процесса.

Методы формообразования деталей в приборостроении, как и в отраслях средств связи (телефонии), являются определяющими, т.к. от них зависят конфигурация, размеры и качественные показатели деталей. Многономенклатурное, интенсивно развивающееся производство требует сокращения сроков освоения выпуска новых деталей. Особую актуальность приобретает ускорение процессов проектирования и изготовления прототипов и моделей будущего изделия, так и производство технологической оснастки для формования деталей. Желательно сразу после автоматизированного проектирования детали переносить конфигурацию ее поверхности на формообразующие элементы оснастки (ФЭО), минуя длительные и трудоемкие этапы изготовления макетной оснастки, но этот процесс значительно усложняется, если исходным носителем информации является эскиз, рисунок, старый чертеж или фотография.

Одним из актуальных вопросов приборостроения является использование новых технологий и материалов, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики деталей. Решение данной задачи вместе с достижением роста технико-экономических показателей возможно путем разработки прогрессивных технологических процессов проектирования 3D моделей и прототипов и на их основе упрощенное изготовление формующего инструмента, позволяющего с наибольшей эффективностью использовать достоинства быстро переналаживаемой оснастки, существенно снизить затраты на подготовку производства новых деталей и перейти от крупносерийного и массового производства продукции к производственным системам нового поколения для мелкосерийного производства высокотехнологичной продукции под индивидуальный заказ.

Выбор способа изготовления 3D моделей и прототипов, а также оснастки для формования деталей, имеет важнейшее значение и оказывает решающее влияние на технико-экономические показатели последующего процесса их производства. Так на проектирование и изготовление формообразующей оснастки в настоящее время может затрачиваться до 90 % времени и 80 % трудоемкости от общих затрат на технологическую подготовку производства (ТПП) новых деталей. В то же время, производство деталей в современном приборостроении носит преимущественно мелкосерийный характер, что требует создания малооперационных технологических процессов на базе нового оборудования, которое сочетается с высокой производительностью.

Анализ существующих методов изготовления формообразующей оснастки показал, что повышения эффективности ТПП деталей целесообразно использовать новые перспективные методы - технологии послойного объемного синтеза (нанесение слоев порошка с применением 3D принтеров и др.) конструкторских прототипов и мастер-ЗО моделей формообразующих элементов оснастки (ФЭО) сложной конструкции.

Предварительное изучение предметной области показало, что интеграция трехмерного геометрического проектирования и технологических возможностей нанесения слоев порошка с применением 3D принтеров может быть очень эффективна в процессах изготовления ФЭО, т.к. позволяет провести подготовку мелкосерийного производства деталей в сжатые сроки.

В настоящее время на базе технологических принципов и систем ЧПУ в России разрабатываются, а за рубежом уже выпускаются 3D принтеры различных модификаций (ZPrinter 310 System , Spectrum Z 510, Z810 System), адаптированные к ним порошковые полимеризуемые композиции (ППК) и программное обеспечение (ПО) технологического послойного объемного синтеза 3D моделей и прототипов. Однако, структура алгоритмов и методика построения ПО скрыта от пользователя. Поэтому, нет уверенности в их полной корректности по точности и достоверности реализуемых в них 3D моделей. В результате возникают серьезные различные проблемы, приводящие порой к материальным и временным затратам при создании технологических процессов синтеза новых деталей, оптимизации технологических параметров, переходе к отечественным ППК, а также к информационной и технико-экономической зависимости отечественных производителей от зарубежных фирм, выпускающих оборудование, ППК и программные продукты.

В связи с этим представляется весьма актуальной задача исследования технологических особенностей ЗОпринтеров, установления и систематизации данных о наиболее важных закономерностях процесса склеивания порошка и технических средствах, применяемых для получения конструкторских 3D моделей и прототипов с требуемыми свойствами, разработки методик расчета и способов оптимизации технологических параметров, поскольку это позволит сформулировать алгоритм построения технологического процесса оперативного изготовления ФЭО и обоснованно осуществить его практическую реализацию.

Целью работы является исследование закономерностей процесса послойного синтеза порошковых материалов на 3D принтере и разработка на этой основе методик расчета технологических параметров формообразования 3D моделей и прототипов с функциональными свойствами, обеспечивающими оперативное получение ФЭО с заданными эксплуатационными свойствами.

Объектом исследования являются модели и прототипы деталей приборостроения, полученные с помощью 3D принтеров методом послойного объемного синтеза.

Предметом исследования является анализ данных, полученных для создания моделей и прототипов на 3D принтере, определение технологических свойств ПМ и ПКМ и технологических параметров процесса формообразования 3D моделей и прототипов, выявление структуры технологического процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для оперативного производства малых партий деталей приборов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Провести анализ данных, посвященных процессу получения исходной информации для создания моделей и прототипов на 3D принтере, используя в качестве исходной информации полутоновые изображения, полученные с различных установок, в том числе, с цифровых фотоаппаратов.

2) Провести комплексный анализ данных, посвященных процессу изготовления моделей и прототипов 3D принтером и определить закономерности полимеризации ПМ и ПКМ, лежащие в основе послойного объемного синтеза деталей под воздействием управляемой струи связующей жидкости, выделить технологические свойства ПМ и ПКМ и технологические параметры процесса формообразования 3D моделей и прототипов.

3) Провести выбор, разработку и обоснование физико-математической модели, полученной на 3D принтере, отражающей взаимосвязь технологических свойств ПМ и ПКМ с технологическими параметрами процесса послойного объемного синтеза получаемых моделей.

4) Разработать методику расчета технологических параметров изготовления моделей и прототипов с применением 3D принтера, обеспечивающих получение моделей и прототипов деталей с заданными эксплуатационными характеристиками.

5) Разработать структуру технологического процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для оперативного производства малых партий деталей приборов.

Методы исследования. Для исследования указанныхзадач использованы методы математического анализа на основе функций Безье, процессы трехмерного компьютерного моделирования, использованы методы векторизации, сегментации и оцифровки изображений для построения систем быстрого прототипирования и сравнения фактической геометрической формы детали с ее моделью, а также моделирующая программа 3D Me Now professional.

Научную новизну имеют следующие результаты работы: комплексный анализ данных, посвященных применению различных установок для получения исходной информации с полутоновых изображений и применению 3D принтера; моделирование процесса изготовления моделей и прототипов с применением 3D принтера, обеспечивающее установление зависимостей между технологическими свойствами ПМ и ПКМ, технологическими параметрами процесса послойного объемного синтеза, техническими характеристиками оборудования и эксплуатационными характеристиками полученных моделей и прототипов деталей; методика оценки оптимальных технологических параметров изготовления моделей и прототипов на 3D принтере по критерию геометрической точности и шероховатости поверхности, обеспечивающих формирование моделей и прототипов деталей с заданными эксплуатационными характеристиками.

- алгоритм (функциональная модель) процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для производства малых партий деталей, применяемых в приборостроении и средствах связи.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием аппарата математического анализа, базирующегося на фундаментальных положениях теории 3-х мерных твердотельных моделей, применением специального оборудования типа установок технического зрения и 3D принтеров, полнотой и корректностью исходных предпосылок, а также результатами программного обеспечения в среде 3D Me Now professional 2, я позволяющими создать модели и прототипы для ряда деталей приборостроения.

Практическая значимость работы и предлагаемых технических решений заключается в разработке:

- методики преобразования сложных полутоновых изображений в исходную ► информацию, позволяющую в аналитическом виде описать процесс моделирования и построения компьютерных моделей и прототипов и под воздействием управляемой струи связующей жидкости, обеспечивать получение моделей из порошковых материалов с заданными свойствами и конфигурацией;

- методики расчета технологических параметров изготовления моделей и прототипов на 3D принтере, позволяющей в аналитическом виде описать процесс формообразования под воздействием управляемой струи связующей жидкости;

- технологических процессов, обеспечивающих геометрическую точность форм сложных моделей и прототипов в процессе проектирования и формообразования стабильность формы и размеров деталей;

- сквозного технологического процесса изготовления ФЭО с использованием методики повышения точности размеров и уменьшения шероховатости поверхности синтезируемых деталей за счет внесения коррективов в исходную информативную базу;

- способов снижения градиента степени конверсии порошкового олигомера в объеме деталей;

- способов повышения межслоевой прочности и изотропии свойств порошкового полимера, образующегося в процессе послойной полимеризации;

- функциональной структуры процесса изготовления ФЭО, основанной на базе новой производственной концепции «Системы компактного интегрального производства» (СКИПр), подборе аппаратурного оформления, обеспечивающего оперативное изготовление ФЭО, а, следовательно, ускорение ТПП деталей в приборостроении.

Автор выносит на защиту:

- результаты анализа технологических возможностей получения компьютерных 3D моделей с использованием в качестве исходной информации сложных полутоновых изображений (эскиза, рисунка, цифровой фотографии);

- результаты анализа технологических возможностей формообразования деталей из полимеризуемых порошковых композиционных материалов (ПМ, ПКМ) на 3D принтере;

- методику расчета технологических параметров и результаты моделирования процесса послойного объемного формообразования деталей из ПМ или ПКМ на 3D принтере;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований точности и производительности метода изготовления 3D моделей и прототипов на 3D принтере;

- результаты экспериментального исследования влияния технологических и эксплуатационных факторов на точность размеров, физико-механические характеристики объемных моделей и прототипов;

- функциональную структуру сквозного технологического процесса оперативного проектирования и изготовления ФЭО с использованием мастер-моделей, изготовленных на 3D принтере;

- изготовление по мастер-модели формообразующей оснастки из КМ (композиционных материалов) для последующего изготовления натурных изделий.

Основные выводы

1. В результате анализа методов изготовления ФЭО установлено, что для повышения их эффективности целесообразно использовать методы быстрого прототипирования, основывающиеся на послойном синтезе деталей сложной формы. Оценка технико-экономических предпосылок различных видов ТПС показало, что по совокупности технологических и экономических показателей быстро занимающим ведущей место наряду с методом лазерной стереолитографии, является метод послойного синтеза на 3D принтере.

2. В результате анализа и проведенных экспериментальных исследований сделан вывод о том, что- NURBS- поверхности с их плавными изгибами формы прекрасно подходят для моделирования объектов, полученных с полутоновых изображений имеющих органическую природу, но работа с такими поверхностями требует развития определенного чутья, приходящего с опытом в процесс настойчивого экспериментирования. Поведенные в рамках выполнения данной работы экспериментальные исследования позволили автору создать из полутоновой исходной информации- геометрическую модель "МАХ- головы", поместив эту модель в 3D принтер была изготовлена "мастер - модель" для прототипирования ФЭО, методом послойного синтеза порошковых материалов с воздействие на них струи связующей жидкости.

3. Анализ метода послойного синтеза на 3D принтере позволил определить его технологические возможности, провести классификацию технологических факторов, оказывающих влияние на качество и скорость изготовления CJI-моделей ФЭО, выделить технологические свойства ПМ и ПКМ и технологические параметры процесса формообразования прототипов деталей, а также разработать математическую модель процесса послойного синтеза на 3D принтере, отражающую взаимосвязь технологических свойств ПМ и ПКМ с параметрами технологического процесса послойного синтеза деталей на 3D принтере под управлением специального программного обеспечения.

4. На основе разработанной математической модели создана методика расчета технологических параметров процесса формообразования, позволяющая в аналитическом виде описать процесс синтеза под воздействием управляемого послойного синтеза порошковых материалов на 3D принтере, обеспечивающая получение мастер-моделей и прототипов с ФЭО заданных свойств и конфигурации при минимальных материальных, энергетических и временных затратах. Это позволит на практике достичь следующих преимуществ перед традиционными ТП изготовления формующей оснастки:

- снижения трудоемкости изготовления ФЭО в 1,5-3 раза;

- снижения на 50-80% раз издержек на ТПП и стоимости изготовления ФЭО;

- сокращения в 3-5 раз временного цикла ТПП новых деталей;

- уменьшения в 2-3 раза себестоимости производства новых деталей, что имеет существенное значение для общего приборостроения.

5. Экспериментально-теоретическими исследованиями показано, что на точность и производительность процесса послойного синтеза порошковых материалов на 3D принтере оказывают влияние следующие факторы:

- расположение детали в рабочей зоне (выбор технологических баз);

- усадка ПМ при отверждении и коробление деталей при дополнительной обработке (до полимеризации);

- точность сканирования струе жидкости в плоскости Х-У и точность

- позиционирования платформы;

- характеристики струи жидкости диаметра фокусирующего-формирующего

- отверстия картриджа принтера (интенсивность, значение энергетической экспозиции, пятна);

- толщина полимеризуемого слоя (с учетом перекрытия смежных слоев).

6. Показано, что геометрическая стабильность и точность CJI- моделей существенно зависят от типа ПМ и ПКМ, завершенности процесса полимеризации, воздействия окружающей среды.

Повышения стабильности формы и точности размеров, уменьшения

Шероховатости поверхности синтезируемых моделей, снижения градиента степени конверсии олигомера в объеме и величины остаточных усадочных напряжений в процессе формообразования можно добиться, применяя разработанные в диссертации методики и рекомендации по выбору величины перекрытия и толщины полимеризуемых ( отверждаемых ) слоев, учету усадки ПМ и при пусков на последующую доработку модели, а также приемы, которые обеспечивают свободное протекание в полимере оптимальной усадки.

7. Разработана концептуальная модель СКИПр в виде функциональной диаграммы, поясняющей принцип построения технологии оперативного проектирования и изготовления ФЭО по мастер-моделям, изготовленным на 3D принтере.

Таким образом, решена научная задача, устанавливающая закономерности процесса работы 3D принтера, разработана методика расчета технологических параметров формирования моделей и прототипов для оперативного изготовления ФЭО с заданными эксплуатационными характеристиками, что имеет существенное значение для развития технологии приборостроения и ускорения научно-технического прогресса в стране.

1. Басов Н.И., Брагинский В.А., Казанков Ю.В. Расчет и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов. -М.: Химия, 1991. 349 с.

2. Филатов В.И., Корсаков В.Д. Технологическая подготовка процессов формования изделий из пластмасс. JL: Политехника, 1991. - 351 с.

3. Корсаков B.C. Автоматизация производственных процессов. М.: Высшая школа, 1978.-328 с.

4. Мендельсон B.C., Рудман Л.И. Технология изготовления штампов и пресс форм. М.: Машиностроение, 1982. - 206 с.

5. Пантелеев А.П., Шевцов Ю.М., Горячев Справочник по проектированию оснастки для переработки пластмасс.М. Машиностроение, 1986 397 с.

6. Калинчев Э.Л., Калинчева Е.И., Саковцева М.Б. Оборудование для литья пластмасс под давлением: Расчет и конструирование Машиностроение, 1985. 256 с.

7. Палей М.М. Технология производства приспособлений,пресс-форм и штампов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - 293 с.

8. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для вузов. М.: Выеш. шк., 1990. - 447 е.

9. Ю.Обзор технологий Rapid Prototyping,/ Материалы выставки "Euromold (Германия)". Инженерная фирма "АБ Универсал", 1997.

10. Философский словарь / Под ред. И.Т. Фролова.- 5-е изд.- М.Политиздат, 1986.- 590 с.

11. Федоткин И.М. Математическое моделирование технологических процессов. К.: Выща шк. Головное изд-во, 1988.- 415 с.

12. Jacobs, P.F., Chapter 11, Rapid Prototyping and Manufacturing:Fundamentals of Stereolithography, Society of Manufacturing nigineers, Oeacborn, Michigan, July 1992.

13. Charles W. НиН, Stuart T. Spence, David J. Albert, Harry L. Tamoff. Method and apparatus for production of high resolution three-dimensional objects by stereolithography. Assignee 3D Systems Inc. Unit~d States patent NQ 5182715, 26.01.1993.

14. Костромин К. новый подход к разработке технических приложений в среде

15. Windows, Информационные технологии, N24, 1996, стр. 6-9

16. Кузин Е.с., Брыль В.Н. Базовая система представления знаний о проблемной среде.

17. Информационные технологии, 1,1996, стр. 11-16

18. Евдокимов С.А., Рыбаков А.В., Соломенцев Ю.М. Интегрированная интеллектуальная система ИнИС оболочка для разработки и эксплуатации программных приложений пользователя. Информационные технологии, N23, 1996, стр. 1 0-13

19. Скородумов С.В., Кулагин В.В., Дудин Е.Б. и др. Разработка опытной технологии лазерной стереолитографии / Технический отчет. М., НИИТавтопром, 1995.-68 с

20. Праспект фирмы « Faentul» Швейцария

21. R.C. Gonzalez and P. Wintz, Digital Image Processing. Reading, MA: Addison-Wesley, 1978.

22. Абламейко C.B., Лагуновский Д.М. Обработка изображений: технология, методы, применение. Минск.: Ии-т техн. кибернетики НАН Беларуси. 1999. -300 с.

23. A. Belotserkovsky, U. Samadurau, G.-R. Tillack, У. M. Artemiev Kalman FiltertV»

24. Reconstmction And Image Post-Processing For Flo\v Pattern Recognition // 7 Internationa! Conf. Oil Pattern Recognition and Illforlllation Processing (PRIF2003). May. 2003, Minsk, Belarus.

25. Ablanleyko S., Belotserkovsky A., Oczeretko E. Poljanowlcz W. Segmentation of Color Biomedicallmages // Image Processing & Communications. Poland: Institute of Telecommunications A TR Bydgoszcz. - 2003. - Уо1. 9. - No.l. - pp.17-31.

26. Руководство пользователя IT DASHBOARD : Система интерактивного мониторинга компании « Вымпелком» 10.01.2002 г. Москва.28. «Автограф» Архитектурно строительный САПР. Москва.2001г.

27. Миронов Д. Corel DRAW 10, учебный курс. С- Петербург-Москва 2002г.

28. Проспект «МСП Технолоджи» Система оптической оцифровки, измерения и сравнения с CAD данными. Минск. 2001г.

29. Найханов В.В., Жимбуева Л.Д., Хангажинова С.А. Способ определения уровня полутона. // Роль геометрии в искусственном интеллекте и САПР: Сб.докладов Всероссийской научной конференции. Улан-Удэ: ВСГТУ, 1996, с.46-48.

30. Найханов В.В. Распознавание плоских объектов сложной формы по неполной информации о контурах. 11 Международная конференция по компьютерной геометрии и графике"Кограф 96": Тез.науч. конф.- Н-Новгород: НГТУ, 1996,с.70.

31. Теоретические основы формирования моделей поверхностей: Уч. пособие 1 Якунин В.И., Рыжов Н.Н., Егоров Э.В., Наджаров К.М., Найханов В.В. и др. М.:МАИ. - 52 с.

32. Проспект «МГТУ им. Н.Э.Баумана» Комплекс бесконтактного измерения, контроля и диагностики поверхностей. Москва.2005г.

33. Коробицын А.И « Комплексная технология САПР на базе систем автоматизированного проектирования, анализа, изготовления и управления:

34. От дизайна до изготовления» Вестник МАРТИТ № 19, 2005 г. Г.Москва.

35. Коробицын А.И. « Моделирование технологических процессов и систем в информационном пространстве» Вестник МАРТИТ № 19, 2005 г. Г.Москва.

36. Коробицын А.И Сегментация как новый подход к распознаванию полутоновых и цветных изображений при их автоматической обработке» » Вестник МАРТИТ № 21, 2005 г. Г.Москва.

37. Коробицын А.И. « Технологические методы изготовления моделей и прототипов Вестник МАРТИТ № 22,2005 г. Г.Москва.

38. Миронов Д. Corel DRAW 10,Учебный курс. Пособие. Санкт Петербург 2002г

39. Макаров М. Эффективная работа 3 d max 4, Москва Санкт - Петербург 2003г 861 стр.

40. Луций С, Петров М. Fhotoshop -6 Самоучитель. Санкт Петербург 2002г

41. Описания изобретений к патентам и заявкам. Электронные базы данных на дисках CD-ROM. М., ВНИИПИ.

42. Charles W. НиН, Stuart Т. Spence, David J. Albert, Налу L. Tarnoff. Method and 3D model maker. Assignee Sanders Prototypes. United States Pat. NQ 5506607.1. US CI. 347/1,09.04.1996.

43. Бондарь А.Ю., Бондарь Ю.В., Кодолов В.И. Технология изготовления деталей методом стерилитографии.Сб. тез. Докл. научн.-техн. конф. М.:ВНИИМИ.1996.с.5-7.

44. Свирский Д.Н.Технологическое обеспечение компактной производственной системы для послойного синтеза деталей из фотополимеров. Канд. дисс.- М.,МАИ, 1993.-195С.

45. Уэйн Р. Основы и применения фотохимии. Пер. с англ.-М.:Мир,1991,-304с.

46. Грищенко В.К., Маслюк А.Ф., Гудзера С.С. Жидкие фотополимеризующияся композиции. Киев: Наукова думка, 1989. 192с.

47. Jacobs P.F. Stereolithography and other RP&M Technologies. From Rapid Prototyping to Rapid Tooling.- New York: ASME Press, 1996 392 p.

48. Jacobs P.F. Rapid Prototyping & Manufacturing: Fundamentals of Stereolithography. Deaborn, Michigan: SME, 1992.

49. Жан-Марк JIe Галь. Управление людскими ресурсами. M.: Изд-во Конкорд, 1995.-128с.

50. Бунин Ж., Сузаки К., Производить точно в срок. Эдисьон Масон, 1987.

51. Новые методы создания конструкторских прототипов изделий и изготовления технологической оснастки.//Информационные бюллетени и материалы выстовки

52. МАКС 99 (г.Жуковский) », 1999.

53. Бунин Ж., Сузаки К. Производить точно В срок. Эдисьон Массон, 1987.

54. Time-Compression Technologies / International Buyers Guide. Rapid News

55. Publications pic. TCT House, 1999. 102 p.

56. Скородумов C.B., Кулагин B.B., Кордашенко C.A. Компактное интеллектуальное производство на базе технологий лазерного макетирования. /

57. В Сб. "Лазеры в науке, технике, медицине" . М.: Изд-во ИРЭР Н, 1994. - с. 60-62.

58. Скородумов С.В. Создание и развитие систем компактного интеллектуального производства. Литейное производство.№7, 1999 с.28-34.

59. Стефанцов Е.Е., Скородумов С.В., Виноградов В.М. Методы быстрого прототипирования и изготовления мастер- моделей формообразующих элементовоснастки из ПКМ // Учебно-методическое пособие.- М.,НИИТавтопром, 1999. 26 с.

60. Новые методы создания конструкторских прототипов изделийи изготовления технологической оснастки / / Информационные бюллетени и материалы выставки "МАКС'99 (г.Жуковский)", 1999.

61. Беляев В.И., Стефанцов Е.Е. Новейшие технологии и оборудование для производства малых серий изделий из металлов и пластмасс Литейное производство, 1999. № 7 -С.38-41.

62. Three dimensional modeling apparatus. Assignee Cubital Ltd. United States patent Pat. № 52633130. US CI. 345/418,11.16.1993.

63. Method and apparatus for producing a three-dimensional object. Assignee EOS GmbH. United States Pat. № 5460758. US CI. 264/401,24.10.1995.

64. Apparatus and method for producing parts with multi-directional powder delivery. Assignee DTM Corp. United States Pat. N~ 5252264. US CI. 264/497,12.10.1993.

65. Apparatus for forming an integral object from laminations. Assignee Helysis Inc.

66. United States Pat. № 5637175. US CI. 156/264,10.06.1997.

67. Apparatus and method for creating three-dimensional objects. Assignee Stratasys1.c. United States Pat. N~ 5121329. US CI. 364/468.26, 09.06.1992. 71.3 D model maker. Assignee Sanders Prototypes. United States Pat.№ 5506607

68. US CI. 347/1,09.04.1996. 72.0писания изобретений к патентам и заявкам. Электронные базы данных на дисках CD ROM.-M., ВНИИПИ.

69. Стефанцов Е.Е., Скородумов С.В., Виноградов В.М. Оперативное изготовление формообразующей оснастки с использованием лазерной стереолитографии. Научные труды МАТИ им. К.Э.Циолковского. М., МАТИ,1999,вып.2(74),с.187 191.

70. Каталог унифицированных блоков форм и нормализованных деталей СП "Тантал-ЕОЦ Нормалиен". Инженерная фирма "АБ Универсал", 1997.75.Проспект Mold flow.

71. Rapid Prototyping Tooling / Reduce mould costs with the MCP/TAFA Metal Spray System. MCP HEK-GmbH, 1995.

72. Properties and uses of MCP Alloys / Technical Data. MCP HEK- GmbH, 1999.

73. Системы автоматизированного проектирования и производства/ Информационный выпуск №5, SOL VER Engineering Сотрапу, 1997.

74. Технологический комплекс концептуального моделирования и изготовления быстрой оснастки. МСП Технолоджи. Минск, 2001.80. 3D принтер Z Corporation, www.cybercom.ru 2005 г. Москва.