автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка и исследование процесса послойного лазерного синтеза армированных объемных изделий

На правах рукописи

Вальтер Александр Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОСЛОЙНОГО ЛАЗЕРНОГО СИНТЕЗА АРМИРОВАННЫХ ОБЪЕМНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 ИЮЛ 7П11

Томск-2011

4851730

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета», г. Юрга

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Петрушин С. И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Клименов В. А.

доктор технических наук, профессор Янюшкин А.С.

Ведущая организация:

ГОУ ВПО Кузбасский ГТУ

Защита состоится « 5 » октября 2011 г. в 15.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.269.01 при ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: г. Томск, ул. Белинского, 53-а.

Автореферат разослан «$ » 2011 г.

Ученый секретарь совета

по защите докторских и кандидатских

диссертаций Д212.269.01

Т. Г. Костюченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В отличие от традиционной технологии механической обработки формообразование изделий процессами послойного синтеза осуществляется непосредственно на основе трёхмерной электронной модели детали путем последовательного добавления объемов материала без применения средств технологического оснащения и в условиях отсутствия ограничений по технологичности изделия. Основой этой технологии физико-технической обработки является энергетическое воздействие, в качестве которого чаще всего используется лазерное излучение, инициирующее различные физические или физико-химические процессы в обрабатываемом материале, такие как фотополимеризация, плавление материала или спекание порошка, реализуемые с привлечением специального аппаратного и программного обеспечения.

В последние годы процессы послойного синтеза находят перспективное применение при создании изделий сложной формы (прототипирование, концептуальное проектирование, медицинская техника, изготовление модельной и инструментальной оснастки, полиграфия и др.). В то же время наряду с несомненными преимуществами эта технология формообразования обладает сравнительно низкой производительностью и высокой энергоемкостью в связи с тем, что требуются затраты времени и энергии на формирование каждой единицы объема детали. Так на изготовление послойным синтезом одного изделия может потребоваться от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от его объёма и формы. Улучшение этих показателей позволит значительно расширить область применения технологий послойного лазерного синтеза в различных сферах науки и техники.

Целью диссертационной работы является повышение производительности и снижение энергоемкости процесса формообразования изделий послойным синтезом путем сокращения синтезируемого объема изделия за счет его армирования.

Научная новизна работы.

1. Разработан способ формообразования изделий, совмещающий послойный синтез с обработкой резанием, основанный на замещении части объема изделия заранее изготовленным армирующим элементом и формировании слоев путем теплового воздействия лазера на полимерсодержащую суспензию.

2. Создана методика расчета геометрических параметров спекаемой области технологической среды вследствие воздействия лазерного излучения.

3. Предложена и экспериментально подтверждена регрессионная модель вероятности отсутствия дефектов в формируемых слоях в зависимости от коэффициента перекрытия треков.

Практическая ценность работы.

1. Разработан способ послойного изготовления армированных объемных изделий (заявка на патент на изобретение №2010151804/20 РФ).

2. Установлено, что для обеспечения прочности соединения сформированных слоев и армирующих элементов, следует при механической обработке последних обеспечивать получение высоких значений шероховатости поверхности.

3. Разработано программное обеспечение (свидетельство №2010615786РФ), осуществляющее подготовку процесса послойного синтеза и формирующее управляющие программы для оборудования послойного синтеза армированных изделий на основе электронной модели изделия.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

Теоретические исследования базируются на фундаментальных положениях коллоидной химии, теории теплопроводности, теории взаимодействия лазерного излучения с веществом, физики полимеров при широком использовании математического моделирования и численных методов с привлечением средств вычислительной техники и современных пакетов математических программ. Исследования выполнялись в лабораторных условиях и включали в себя реализацию разработанного процесса посредством созданного экспериментального стенда, исследование свойств технологической среды, технологических параметров процесса, шероховатости поверхности образцов, полученных обработкой резанием и испытания образцов на прочность скрепления. Исследования проводились с привлечением аппарата математической статистики, в том числе корреляционного и регрессионного анализа. Достоверность результатов исследований подтверждается их воспроизводимостью и апробацией полученных результатов.

Личный вклад автора состоит в постановке задач диссертации, разработке процесса послойного лазерного синтеза армированных объемных изделий и его программного обеспечения, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке их результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке публикаций по данной теме.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный способ, заключающийся в том, что лишь часть объема изделия выполняется послойным синтезом, а остальная часть заранее изготавливается путем механической обработки, позволяет повысить производительность и снизить энергоемкость изготовления изделий в сравнении с селективным лазерным спеканием полимерных порошков на величину до 46% в зависимости от формы изделия за счет сокращения формируемого объема.

2. Вероятность возникновения дефектов в формируемых слоях зависит от коэффициента перекрытия треков и может быть установлена по предложенной регрессионной модели, связывающей данные величины посредством функции Лапласа.

3. Математическая модель температурного поля в процессе формирования слоев при воздействии лазерного излучения и методика определения расчетных значений геометрических параметров спекаемой области на основе параметров режима процесса.

Реализация результатов работы.

На разработанное программное обеспечение получено свидетельство об официальной регистрации (№2010615786 РФ), на разработанный способ послойного изготовления армированных изделий подана заявка на изобретение (№2010151804 РФ). Результаты работы внедрены в НПК «Крона» (г. Ижевск).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на трех Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» - г. Томск (2008, 2009, 2011 гг.), на I Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» - г. Бийск (2010 г.), на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» - г. Одесса (2007г), на IV Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные технологии в образовании, экономике и управлении» - г. Воронеж (2007 г.), на трех Всероссийских научно-практических конференциях с

международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» - г. Юрга (2008, 2009, 2010 гг.), на 6-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» - г. Новосибирск (2008 г.), на V Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» - г. Томск (2010 г.), на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» ЮТИ ТПУ (2009г., 2011 г.), на объединенном научно-техническом семинаре ЮТИ ТПУ (2011 г.), на семинаре кафедры ТАМП НИ ТПУ (2011 г.), на семинаре кафедры МСиИ КузГТУ (2011 г.).

Публикации. По содержанию работы и основным результатам исследований опубликовано 18 печатных работ, в том числе одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, один патент на изобретение и две статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, изложена на 174 страницах и содержит 67 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 141 источника и пять приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности работы, сформулирована её цель, научная новизна, положения, выносимые на защиту, показана практическая ценность результатов исследования.

В первой главе представлен обзор литературных сведений о текущем уровне развития процессов формообразования изделий. Даны определения методов формообразования, в том числе аддитивных, основанных на придании формы путем последовательного добавления объемов материала, и субтрактив-ных, заключающихся в придании формы изделию путём образования новых поверхностей удалением части материала исходной заготовки. Приведена русско- и англоязычная терминология, а также классификация способов в области аддитивного формообразования. Рассмотрены аспекты технической реализации способов формообразования послойным синтезом и структура процесса. Выявлены характерные черты, преимущества и проблемы послойного синтеза, среди которых в качестве наиболее важных отмечены низкая производительность и высокая энергоемкость процесса. Выполнен анализ исследований в области аддитивного формообразования мировых и российских ведущих исследовательских центров по данной тематике. Рассмотрены существующие подходы к повышению производительности и снижению энергоемкости процесса послойного синтеза, отмечены их сильные и слабые стороны. На основании проведенного анализа был сделан вывод о том, что разрешить основные проблемы процесса послойного синтеза можно путем совмещения традиционных технологий формообразования, в частности обработки резанием, с аддитивными. Часть объема формируемого изделия должна быть изготовлена обработкой резанием в виде специального изделия - армирующего элемента, к которому впоследствии послойно добавляется остальной материал. В результате были сформулированы цель и задачи настоящей работы:

1. Разработать способ изготовления изделий, совмещающий послойный синтез с обработкой резанием таким образом, чтобы значительная часть объема изделия выполнялась субтрактивным способом;

2. Выявить ограничивающие факторы процесса и определить соответствующие диапазоны режимных параметров;

3. Выявить влияние характеристик армирующего элемента, полученных в ре-

зультате его обработки резанием, на процесс послойного синтеза; 4. Выполнить сравнительную оценку производительности и энергоемкости предложенного процесса и присутствующих на рынке аналогов.

Во второй главе предложена технология послойного лазерного синтеза армированных объемных изделий (ПСАОИ). Для технической реализации идеи в качестве прототипа был использован способ селективного лазерного спекания (СЛС, автор - С.Я. Оескагс1, пат. США №4863538). Сущность ПСАОИ заключается в том, что объем изделия не образующий форму (внутренний), получают обработкой резанием, а объем образующий форму (выходящий на границы), послойно добавляют к внутреннему посредством воздействия лазерного излучения на полимерсодержашую суспензию. В целом, процесс состоит в реализации следующих этапов (рис. 1):

1. Создание электронной модели изделия и её декомпозиция на модель армирующего элемента и модель послойно формируемого объема изделия (рис. 1а).

2. Рассечение модели формируемого объема на слои, расчет траекторий движений пятна лазера (рис. 16) и составление управляющей программы.

3. Изготовление армирующего элемента обработкой резанием (рис. 1в).

4. Размещение в емкости армирующего элемента и подача суспензии, которая, растекаясь по поверхности дна, образует слой (рис. 1г).

5. Сканирование поверхности слоя лучом лазера (рис. 1д). При этом частицы дисперсной фазы суспензии спекаются, формируя слой изделия, и прикрепляются к армирующему элементу.

6. Подача новой порции суспензии и сканирование её лазером с образованием слоя. Процесс повторяется до получения готового изделия (рис. 1 е).

Модель послойно формируемого объема Электронная 1 ~

модель

Вид сверху

В)

Готовое

Г) д) е)

Рис. !. Схема процесса послойного синтеза армированных объемных изделий

Модель армирующего

_элемента/

а)

Предложенная технология имеет как общие с методом СЛС, так и отличительные черты, связанные с физическими и физико-химическими процессами в технологической среде (суспензии). Наиболее важным отличием ПСАОИ от СЛС, является то, что тепловому воздействию подвергается дисперсная система

типа «твердое в жидком». Вещество жидкости, использующейся в качестве дисперсионной среды, должно обладать максимальной температурой кипения и/или разложения, минимальной вязкостью, высокой смачиваемостью по отношению к частицам дисперсной фазы, неспособностью к образованию необратимых дисперсных систем по типу растворов полимеров, низкой химической активностью по отношению к частицам дисперсной фазы, должно быть нетоксичным. Среди промышленно выпускаемых жидкостей этим требованиям удовлетворительно соответствует глицерин. Вещество дисперсной фазы технологической среды должно обладать высокими эксплуатационными свойствами, иметь низкую теплопроводность, обладать способностью к адгезии частиц порошка друг с другом при минимальном тепловом воздействии, быть по возможности негорючим, выпускаться промышленностью в виде порошков. Подобным требованиям удовлетворительно соответствует большинство современных конструкционных термопластичных полимеров, в частности те, которые используются в СЛС: полистирол, сополимеры стирола, поликарбонат и т. п. Поэтому основные теоретические и экспериментальные исследования проводились для технологической среды, компонентами которой являлись глицерин ПК-94 ГОСТ 6824-96 и порошок полистирола ПСЭ-1 ГОСТ 20282-86.

Для подобных гетерогенных систем характерен ряд специфичных явлений, таких как седиментация, диффузия, смачивание, капиллярность. Выявлено, что суспензия глицерин ПК-94 — полистирол ПСЭ-1 является седиментаци-онно неустойчивой. Частицы дисперсной фазы поднимаются к поверхности суспензии, т. е. наблюдается обратная седиментация. Кроме того, отмечено, что технологическая среда в действительности является трехкомпонентной микрогетерогенной системой, в которой третьим компонентом выступает воздух. Причем путем экспериментальных исследований с использованием аппарата корреляционного анализа установлено, что соотношение количества компонентов в исходной суспензии не влияет на их соотношение в верхнем, седименти-рованном, слое. Установлено, что в нормальных условиях седиментированный слой технологической среды характеризуется объемной долей полистирола УфП =0,19. С учетом данных особенностей технологической среды были определены теплофизические свойства технологической среды глицерин - полистирол на основе свойств её компонентов (табл. 1).

Табл. 1. Теплофизические свойства технологической среды

Параметр Обозначение Величина Ед. изм.

Эффективная теплопроводность X' 0,71 Вт/(м-К)

Удельная теплоемкость с 2243 Дж/(кг-К)

Температуропроводность а 3,75-10"' м^/с

В третьей главе предложена математическая модель температурного поля, возникающего в технологической среде процесса ПСАОИ под воздействием лазерного излучения. В ней тепловое воздействие лазерного излучения идеализировано посредством введения нормально-кругового источника тепла мощностью, соответствующей мощности лазерного излучения с учетом коэффициента поглощения лучистой энергии поверхностью суспензии, причем последняя представлена в виде полубесконечного тела. Для источника тепла, движущегося с постоянной скоростью, использовано представление дифференциального уравнения теплопроводности для квазистационарного теплового поля в цилиндрической системе

Температура полистирола

" Температура перехода полистирола в высоко-члаугичпог состояние

Рис. 2. Модель температурного поля (Рэф4 = 3 Вт; к = 9,8е+005 м"2)

изотермическая точка максимума поверхность Т - Тш температуры Tma*

Рис. 3. Схема к вычислению геометрических характеристик спекаемой области

60« 800 1000 1200 V (мм/мни)

Рис. 4. Зависимость площади сечения треков от скорости движения пятна лазера V и мощности теплового источника Р (ПК-94 - ПСЭ-1)

координат H.H. Рыкалина. Для расчета тепловых полей по данной модели использовалась среда MATLAB (рис. 2).

На основании данной модели была предложена методика расчета геометрических характеристик спекаемой области. Исходили из того, что вычисление геометрических характеристик спекаемой области для установившегося процесса заключается в определении характерных размеров изотермической поверхности с температурой перехода вещества дисперсной фазы в высокоэластичное состояние (рис. 3). При этом максимальные габариты зоны спекания могут быть приближенно определены изотермой, лежащей в сечении, проходящем через точку максимума температуры и отстоящем от центра источника тепла на расстоянии хтах в направлении, противоположном направлению скорости движения пятна лазера.

Это позволило получить расчетные значения ширины Ь, высоты h и площади поперечного сечения спекаемых треков (рис. 4). Также были определены допустимые диапазоны режимов спекания, ограниченные температурой деструкции полистирола и температурой его перехода в высокоэластичное состояние.

На основе полученных значений размеров спекаемых слоев были определены прогнозные зависимости удельной производительности (рис. 5) и энергоемкости (рис. 6) формирования слоев. При определении производительности использовалось выражение:

Q = Fv - КГ3, см3/мин; (1) где F - площадь поперечного сечения трека, мм2; v - скорость движения пятна лазера, мм/мин.

Удельная энергоемкость формирования слоев определялась из выражения: Е = Р / 0 , Дж/см3; (2)

где Р - мощность лазера, Вт.

Анализ этих зависимостей показал, что минимумы энергоемкости совпадают с соответствующими максимумами производительности. В целом, можно заключить, что для достижения максимальных значений производительности при наибольшей энергоэффективности необходимо повышать скорости движения пятна лазера при соответствующем увеличении мощности источника тепла.

4,0-1

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 V (ми/мин)

Рис. 5. Зависимость удельной производительности спекания треков Q от скорости пятна лазера v (ПК-94 -ПСЭ-1)

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 V (мм/мин)

Рис. 6. Зависимость удельной энергоемкости спекания треков Е от скорости пятна лазера v (ПК-94 -ПСЭ-1)

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса ПСАОИ. С целью проведения данных исследований был создан экспериментальный стенд (рис. 11 7) на базе фрезерного станка

с ЧПУ модели 6Р13ФЭ и ит-тербиевого лазера ЛК-100-В (длина волны 1,06 мкм; мощность до 106 Вт в непрерывном режиме). На столе станка 5, оснащенного устройством ЧПУ 1, установлен лазер 2. Посредством оптоволокна 3 лазерное излучение подается на оптическую головку 7, закрепленную в кронштейне 4. Непосредственно под оптической головкой 7 на столе станка установлена ёмкость 6, которая заполняется технологической средой и в которой формируются изделия.

Рис. 7. Схема экспериментального стенда

Для проверки адекватности модели и методики расчетов, предложенных в главе 3, были проведены эксперименты по спеканию единичных треков. Эксперименты проводились по схеме, представленной на рис. 8. Ёмкость 1, содержащая суспензию, перемещалась относительно луча лазера 2 по зигзагообразной траектории. Длина каждого отдельного хода составляла Ь = 20 мм. Треки спекались сериями по три штуки, Рис. 8. Схема экспериментов расстояние между треками соседних серий соло спеканию единичных ставляло Ь, = 7 мм. При проведении экспериментов варьировались скорость V перемещения ем-треков кости относительно луча лазера и мощность из-

лучения Р. Полученные треки извлекались из ёмкости, промывались водой, после чего производилось измерение размеров их поперечного сечения И и Ь посредством микроскопа инструментального ИМЦ 100x50 А. Для каждой пары входных параметров мощность-скорость получено от 5 до 8 образцов треков. Полученные экспериментальные точки и наложенные на них теоретические кривые показаны на рис. 9 и 10.

•■Теор. крппая Р = 4,2 Вт

- Теор. кривая Р = 9,0 Вт

- Теор. кривая Р = 19,7 Вт Экспер. точки Р = 4,2 Вт Экспер. точкц Р " 9,0 Вт ЭкСПСр. юткп Р '4 19.7 Вт

0 20 40 60

80 100

V

120 140 160 180 200 220 240 (мм/мин)

........Теор. кривая Р

-Теор. кривая Р

----Теор. кривая Р

• Экспер. точки Р А Экспер. точки Р : Эк'спер. точки Р

4,2 Вт 9,0 Вт 19,7 Вт = 4,2 Вт =:9,0 Вт -.19.7 Вт

20 4 0 60 8 0

100 120 140 160 180 200 : V (мм/мин)

Рис. 9. Зависимости ширины Рис. 10. Зависимости высоты

спекаемых треков Ь от скорости V спекаемых треков Ь от скорости V

движения пятна лазера движения пятна лазера

Для оценки связи между входными параметрами V и Р и выходными Ь и Ь использовался коэффициент детерминации, подтвердивший наличие заметной связи между параметрами.

С целью выявления условий, при которых отдельные треки могут образовывать единый слой, была проведена серия испытаний по схеме, представленной на рис. 11. Емкость 1, содержащая суспензию, перемещалась относительно луча лазера 2 по зигзагообразной траектории. Длина каждого отдельного хода составляла Ь = 20 мм. Треки спекались сериями по четыре штуки, расстояние между треками соседних серий составляло Ь| = 5 мм.

При проведении эксперимента варьировалась скорость V перемещения ёмкости относительно луча лазера и расстояние между соседними треками од-

ноименных серий s (шаг).

Спеченные серии треков извлекались из ёмкости, промывались водой и исследовались на предмет целостности. На основании последнего подсчитыва-лась частота п и частость ш бездефектных серий, образующих единичный слой,

спеченных при одинаковых значениях V и s. Всего было выполнено 350 серий (по 10 серий на каждый режим). Для проведения сравнительной оценки влияния шага s на бездефектность спекаемых слоев для каждой серии был вычислен безразмерный коэффициент перекрытия:

~П7 ^Г ' k„=(b-s)/b; (3)

Рис. 11. Схема эксперимента по рде ^ _ g значение щ еди_

спеканию единичных слоев шчного ^^ s _ шаг тре1С0В_

На основе полученных данных была предложена регрессионная модель зависимости вероятности получения бездефектных слоев от коэффициента перекрытия (рис. 12) вида:

mT(kn) = 0,5-(l + erf(akn+P)); (4)

где а и Р - безразмерные коэффициенты (а=5,85; р=0,56).

С привлечением аппарата регрессионного анализа была доказана адекватность модели на уровне значимости у = 0,1.

С использованием результатов ранее проведенных исследований были реализованы эксперименты по спеканию объемных образцов в соответствии со схемой на рис. 13.

Сформирияанныс елок

1Б

0,8'

0.6

0.4

0.2

■8"

1 Подставка

Рис. 12. Зависимость вероятности получения Рис. 13. Схемаэкспери-

бездефектных слоев мента по спеканию объ-

емных образцов

В ёмкость на подставку устанавливалась металлическая сетка. Первая порция суспензии заливалась таким образом, чтобы её уровень был выше сетки на величину 0,5 мм. При спекании первого слоя он скрепляется с сеткой, за счет чего лишается подвижности. Изделия формировались при мощностях лазерного излучения в диапазоне 30...70 Вт при непрерывном режиме работы лазера. Скорость перемещения луча лазера устанавливалась на величину максимальной подачи станка - 1200 мм/мин.

При построении траекторий движения луча лазера значение коэффициента перекрытия назначалось в пределах 1... 1,5. Толщина слоев варьировалась в диапазоне 0,6... 1,2 мм, общее число слоев - до 46 штук. Ряд полученных образцов представлен на рис. 14.

^ярТ^-КУ~ ' Армированные образцы изготавлива-

^лись по схеме> приведенной на рис. 1. Про-.да. цесс реализован на примере формирования

■х^ЖШгГ ^ё^азд изделия «вал-шестерня». На рис. 15а-б при-

'ЙайШ'Я^Г'.. ^НИР - ведено изображение самой вал-шестерни, " -/ армирующего элемента и послойно форми-

ф ■> »Р. объем был рассечен на 15 слоев. Для каждого слоя была разработана траектория движе-Е^аЯдВЬ ния луча лазера (рис. 15в,г), заполняющие

площадь между границей текущего сечения формируемого изделия и границей армирующего элемента с шагом э < 2 мм между соседними линиями. На токарном обрабатывающем центре Окиша ЕБ-ЬБ-М был изготовлен из алюминиевого сплава АМгб ГОСТ 4784-97 армирующий элемент диаметром 19,5 мм и длиной 30 мм с шероховатостью цилиндрической поверхности к/ = 32 мкм.

Рис. 14. Примеры полученных образцов

а) б) в) г) д)

Рис. 15. Изображения: а) вал-шестерни; б) армирующего элемента; в) послойно формируемого объема; г, д) траектории пятна лазера

Армирующий элемент был помещен в емкость. Воздействием лазера мощностью Р = 43,9 Вт в непрерывном режиме работы сформированы слои из суспензии ПСЭ-1 - ПК-94. Скорость перемещения луча лазера относительно емкости составила V = 1200 мм/мин, высота слоев — h = 0,4 мм. Полученное изделие изображено на рис. 16. Общий объем изделия составил 11 см3, объем спеченных слоев - 2,1 см3. Аналогичным образом были сформированы и другие изделия из суспензии ПСЭ-1 -ПК-94 с армирующими элементами в форме цилиндра, конуса и трубы из материалов; полиамид ПА 66 Н ГОСТ 31014-2002, алюминиевый сплав АМгб ГОСТ 21488-97, сталь 20 ГОСТ 8731-74.

Для выявления влияния шероховатости армирующего элемента на качество его соединения со сформированными слоями была проведена серия экспериментов, заключающаяся в изготовлении путем токарной обработки армирующих элементов цилиндрической формы из алюминиевого сплава АМгб (14 шт.) и полиамида ПА 66 Н (17 шт); измерении шероховатости их боковой поверхности посредством бесконтактного профилометрического комплекса «MICRO MEASURE 3D Station» («STIL S.A.», Франция) в связке с ПО «Mountains Map» («SARL Digital Surf», Франция); формировании слоев по схеме, приведенной на рис. 17; испытании прочности скрепления сформированных слоев с армирующим элементом методом сдвига.

Поскольку при испытании методом сдвига не достигают конкретного напряженного состояния, то устанавливалась только максимальная сила, исходя из значения которой рассчитывалось сопротивление сдвигу:

т3 = 1000Ртах / (ж1Н), кПа; (5)

где Ртах - максимальная сила, действующая на границе «армирующий элемент — сформированные слои», Ы; с! — диаметр армирующего элемента, мм; Н -высота сформированных слоев, мм.

Рис. 16. Образец армированного изделия

Рис. 17 Схема формирования слоев

армирующий элемент

Полученные в результате испытаний точки зависимости сопротивления срезу xs от шероховатости боковой поверхности армирующего элемента Rz приведены на рис. 18. Результаты корреляционного анализа позволяют утверждать на уровне значимости у = 0,05, что шероховатость поверхности армирующего элемента, полученная в результате его механической обработки, влияет на прочность соединения сформированных слоев с армирующим элементом в процессе ПСАОИ. С увеличением шероховатости до величины Rz = 100 мкм прочность возрастает.

В пятой главе представлено разработанное программное обеспечение ПСАОИ. ПО реализует следующие функции: импорт и визуализация модели послойно формируемого объема из форматов STEP, IGES, BREP; управление положением модели относительно рабочей зоны; однородное рассечение модели, сопровождаемое формированием траекторий, с заданием толщины слоев, шага между треками, коэффициента перекрытия; контроль траекторий; формирование управляющей программы (УП). Предусмотрено формирование УП в кодах ISO 7-bit, соответствую-

зо-

25 -

20-

15-

10-

■ ПА 66 H О АМгб

Аппроксимирую [ДЛЯ прямая ПА 66 Н Аппроксимирующая прямая АМгб

20

40

—т—

60

-Г"

80

-,-

100

Rz(mkm)

Рис. 18. Зависимость сопротивления сдвигу т8 от шероховатости армирующего элемента Rz

щих формату программ для устройства ЧПУ ДГТ-735. Также предусмотрено формирование управляющих программ в аппаратно-независимых кодах CL-DATA системы САМ ADEM («ADEM Group», Россия) с возможностью созда-

ния УП под любое устройство ЧПУ с использованием адаптера и постпроцессоров системы САМ ADEM.

Была произведена сравнительная оценка производительности и энергоемкости предложенного процесса в сравнении с ближайшим аналогом - селективным лазерным спеканием полимерных порошков на установках компании «3D Systems, Inc.» (США) для ряда характерных форм изделий. Следует отметить, что производительность формирования собственно слоев предложенным способом несколько ниже, чем у аналога, что объясняется более высокой теплопроводностью технологической среды в сравнении с полимерными порошками. Однако, за счет значительного сокращения послойно формируемого объема может быть достигнуто существенное сокращение затрат времени и энергии на формирование изделия. Указанное сокращение зависит от формы изделия и для тестовых форм, приведенных на рис. 19, составляет величину 22-46%.

Рис. 19. Диаграмма сравнения значений затрат времени и удельной энергоемкости (sPro 60SD, sPro 60 HD Base, sPro 60 HD HS - СЛС-установки модельного ряда компании «3D Systems, Inc.» (США))

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан способ послойного лазерного синтеза армированных объемных изделий, при котором лишь часть объема изделия выполняется послойным синтезом, а остальная часть заранее изготавливается путем механической обработки. Способ реализуется посредством теплового воздействия лазерного излучения на полимерсодержащую суспензию, в которой размещается заранее изготовленный армирующий элемент.

2. Разработанный способ позволяет повысить производительность и снизить энергоемкость изготовления изделий в сравнении с селективным лазерным спеканием полимерных порошков на величину до 46% в зависимости от формы изделия за счет сокращения формируемого объема.

3. Проведёнными исследованиями влияния шероховатости поверхности армирующих элементов на прочность их скрепления с формируемыми слоями изделия, установлено, что с увеличением шероховатости до значений Rz = 100 мкм прочность скрепления увеличивается.

4. Предложены и подтверждены экспериментально математическая модель температурного поля в процессе формирования слоев при воздействии лазерно-

Сфера R14

sPro 60 HD Base

sPro 60 HDHS

ПСАОИ

ПСАОН

ПСАОИ

ПСАОИ

ПСАОИ

ПСАОН

¡ЕИж/см1) 1,39

го излучения и методика определения расчетных значений геометрических параметров спекаемой области на основе режимных параметров процесса.

5. Режимы формирования слоев изделия разработанным способом ограничены значениями максимальных температур, возникающих в суспензии. Для реализации процесса необходимо, чтобы максимальные температуры находились в диапазоне между температурой перехода полимера суспензии в высокоэластичное состояние (= 92,5°С для полистирола) и температурой его деструкции (= 255°С для полистирола).

6. Возникновение дефектов в формируемых слоях изделия зависит от коэффициента перекрытия треков и носит случайный характер. Величина коэффициента перекрытия треков, обеспечивающая требуемую вероятность отсутствия дефектов в слое, может быть установлена на основе предложенной регрессионной модели.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Сапрыкин А.А., Вальтер А.В. Производительность процесса 2,5-координатного формообразования и технологичность изделий сложной пространственной формы // Технология машиностроения. - 2008. - № 2. - С. 20 - 22.

2. Вальтер А.В., Дуреев В.В. Влияние шероховатости поверхности армирующих элементов на качество их соединения с аддитивно сформированными слоями // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2011. -Т. 13. -№.1(3). - С. 544-548.

Патенты:

3. Вальтер А.В., Орешков В.М., Опарин А.В. Nacre / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №010615786 РФ // Заявитель и правообладатель ГОУ ВПО Томский политехнический университет.

4. Петрушин С.И., Сапрыкин А.А., Вальтер А.В., Пономаренко С.В. Способ ла-зерно-компьютерного макетирования / Патент на изобретение №2262741 РФ // Заявитель и правообладатель ГОУ ВПО Томский политехнический университет.

В других научных изданиях:

5. Вальтер А.В. Алгоритм расчёта рабочих ходов установки для изготовления прототипов оплавлением порошков лазером//Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные шоблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании '2007». Т. 4. Технические науки,- Одесса: Черноморье, 2007. - С. 79 - 81.

6. Вальтер А.В. Использование OpenCASCADE Technology при разработке системы планирования процессов формирования изделий свободной формы И Интеллектуальные технологии в образовании, экономике и управлении-2007: Сборник материалов IV Международной научно-практической конференции.-Воронеж: Воронежская областная типография - Изд-во им. Е.А. Болховитино-ва, 2007. - С. 17-19.

7. Вальтер А.В. Способы повышения эффективности послойного синтеза путем совершенствования методов подготовки процесса // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: труды VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008.-С. 77-83.

8. Вальтер А.В. Адаптивное рассечение исходной цифровой модели при подготовке процессов послойного синтеза // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: труды VI Всероссийской научно-практической конференции. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - С. 83-87.

9. Вальтер А.В. Подготовка процессов послойного синтеза и форматы исходных цифровых моделей // Технология производства машин: Межвузовский сборник научных трудов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, ФГО У ВПО НГТИ, 2008. Вып.2. - С. 169-173.

10. Вальтер A.B. Коррекция интервалов и теоретические отклонения поверхностей прототипа при построчном формировании управляющих программ для оборудования селективного лазерного спекания // XIV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии»/ Сборник трудов в 3-х томах. Т. 1. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - С. 248-250.

11. Вальтер A.B. Система подготовки процессов селективного лазерного спекания // Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе: Материалы 6-ой Всероссийской научно-практической конференции 28 марта 2008 г. - Новосибирск: Издательство НГТУ, 2008. - С. 51 - 54.

12. Вальтер A.B., Опарин A.B., Орешков В.М. Оценка максимальных температур на поверхности порошкового материала, спекаемого маломощным лазерным излучением // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: труды VII Всероссийской научно-практической конференции с междуна-

одным участием. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. - С. 228-232. 3. Вальтер A.B., Орешков В.М., Опарин A.B. Расчет теоретической производительности селективного спекания порошков маломощным лазерным излучением // XV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Совоеменные техника и технологии»/ Сборник трудов в 3-х томах. Т. 1. - Томск: Йзд-во ТПУ, 2009. - С. 323-324.

14. Saprykin A.A., Walter A.V., Sapiykina N.A. Forecasting productivity of process layered laser sintering on the basis or form and orientation factor // Proceedings of the 15th International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists «MODERN TECHNIQUE AND TECHNOLOGIES MTT' 2009 », Tomsk, Tomsk Polytechnic University .-Tomsk: TPU Press, 2009,- pp.57-59.

15. Вальтер A.B., Орешков B.M., Опарин A.B. Исследование послойного спекания полимерсодержащих порошков маломощным лазерным излучением // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сборник трудов Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых / Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010. - С. 192 - 195.

16. Петрушин С.И., Вальтер A.B. PBF-методы послойного синтеза физических моделей изделий // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сборник трудов Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых / Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010. - С. 198 - 202.

17. Вальтер A.B., Петрушин С.И. Формообразование армированных изделий послойным синтезом // Инновации в машиностроении: материалы I Международной научно-практической конференции 7-9 октября 2010 / Алт. гос. техн. ун-т им. И. И, Ползунова, БТИ. - Бийск: Издательство Алт. гос. техн. ун-та, 2010.-С. 39-42.

18. Вальтер A.B. Исследование бездефектности слоев полимерсодержащей суспензии, полученных лазерным спеканием // Современные проблемы машиностроения: труды V Международной научно-технической конференции; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010. - С. 535 - 539.

Подписано к печати 29.06.2011 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Плоская печать. Усл.п. л.0,93. Уч-изд.л.0,84. Тираж 130 экз. Заказ 1408. ИПЛ ЮТИ ТПУ. Ризограф ЮТИ ТПУ. 652000, Юрга, ул. Московская, 17.

Введение.

Глава 1 Аналитический обзор.

1.1 Классификация методов формообразования.

1.2 Терминология в области аддитивного формообразования.

1.3 Классификация методов аддитивного формообразования.

1.4 Техническая реализация методов формообразования послойным синтезом.

1.4.1 Стереолитография.

1.4.2 Селективное лазерное спекание.

1.4.3 Характеристики современных установок послойного синтеза и сферы их применения.

1.5 Структура технологического процесса послойного синтеза.

1.5.1 Этап подготовки цифровой модели изделия.

1.5.2 Этап подготовки процесса послойного синтеза.

1.5.3 Этап формирования изделий.

1.6 Характерные черты, преимущества и проблемы послойного синтеза.

1.7 Обобщенный анализ исследований в области послойного лазерного спекания порошков.

1.8 Подходы к повышению производительности и снижению энергоемкости процессов послойного синтеза.

1.8.1 Формирование изделий с адаптивной толщиной слоя.

1.8.2 Формирование изделий с аппроксимацией высших порядков

1.8.3 Разнонаправленное рассечение.

1.9 Цель и задачи исследований.

Глава 2 Сущность процесса послойного лазерного синтеза армированных объемных изделий.

2.1 Послойный синтез армированных объемных изделий.

2.1.1 Схемы подачи порошка в рабочую зону в технологиях послойного лазерного спекания.

2.1.2 Схема процесса послойного синтеза армированных объемных изделий.

2.2 Суспензия как технологическая среда послойного синтеза изделий

2.3 Требования к дисперсионной среде суспензий.

2.4 Порошки для использования в качестве дисперсной фазы технологической среды.

2.5 Соотношение между дисперсионной средой и дисперсной фазой в слоях технологической среды.

2.5.1 Случай седиментационной устойчивости.

2.5.2 Случай седиментационной неустойчивости.

2.6 Теплофизические свойства суспензий.

2.7 Выводы по главе 2.

Глава 3 Моделирование тепловых полей при послойном спекании суспензий.

3.1 Тепловое воздействие лазерного излучения на материалы.

3.2 Модель квазистационарного теплового поля для подвижного источника тепла.

3.3 Вычисление геометрических характеристик спекаемой области.

3.4 Производительность и энергоемкость спекания отдельных треков

3.5 Выводы по главе 3.

Глава 4 Экспериментальные исследования процесса послойного лазерного синтеза армированных объемных изделий.

4.1 Экспериментальный стенд для исследования процесса послойного лазерного синтеза армированных изделий.

4.2 Спекание единичных треков.

4.3 Оценка адекватности модели квазистационарного теплового поля

4.4 Спекание единичных слоев.

4.4.1 Методика эксперимента и результаты.

4.4.2 Математическая модель зависимости вероятности получения бездефектных слоев от коэффициента перекрытия.

4.4.3 Результаты моделирования.

4.5 Спекание объемных образцов.

4.6 Получение образцов армированных изделий.

4.7 Влияние предшествующей механической обработки армирующего элемента на качество его соединения со сформированными слоями.

4.7.1 Подготовка армированных образцов для испытаний.

4.7.2 Испытания по определению прочности скрепления сформированных слоев с армирующим элементом.

4.7.3 Обработка результатов испытаний.

4.8 Выводы по главе 4.

Глава 5 Характеристики послойного синтеза армированных объемных изделий.

5.1 Структура и программное обеспечение процесса послойного синтеза армированных объемных изделий.

5.2 Оценка производительности формообразования послойным лазерным синтезом армированных объемных изделий.

5.3 Оценка энергоемкости процесса послойного лазерного синтеза армированных объемных изделий.

5.4 Выводы по главе 5.

Формообразование изделий является центральной задачей в процессе их изготовления. Развитие техники и технологии в различных сферах человеческой деятельности диктует новые требования к процессам изготовления изделий, среди которых одним из наиболее актуальных является потребность в формировании1 изделий непосредственно на основе их электронных трёхмерных моделей, минуя промежуточные этапы разработки технологических процессов, проектирования и изготовления оснастки. Фактически речь идет о создании таких программно-аппаратных комплексов, которые на входе воспринимали бы геометрический образ изделия, а на выходе формировали, его физическую модель. В настоящее время решения данной задачи добиваются посредством аддитивных способов формообразования, радикально отличающихся сутью процесса от традиционных методов таких, как резание, литье, обработка давлением. В аддитивных способах форма изделия образуется путем последовательного добавления объемов материала. Именно такой подход позволяет реализовать непосредственное получение физической- модели изделия на основе его геометрического образа.

К настоящему моменту разработано несколько' десятков различных способов аддитивного формообразования, среди которых наибольший коммерческий успех приобрели- следующие технологии: стереолитография, селективное лазерное спекание, ЬОМ-технология, РОМ-технология. Указанные способы относят к методам послойного синтеза, в которых форма изделия создается путем добавления плоских или концентричных слоев материала. Подобные технологии получили широкое распространение в областях, связанных с созданием единичных изделий достаточно сложной формы: концептуальное проектирование, изготовление модельной оснастки и быстрая инструментовка, медицинская техника, полиграфия и др. Препятствиями к более широкому распространению технологий послойного синтеза является их высокая стоимость, значительные затраты на исходные материалы, а также низкая производительность и высокая энергоемкость процесса. Важнейшие недостатки аддитивных технологий связаны с теми же особенностями, что их преимущества, - с принципом формообразования. Низкая производительность и высокая энергоемкость аддитивных способов обусловлена тем, что они требуют затрат времени и энергии на формирование каждой единицы объема изделия, в то время как, например, при обработке резанием (субтрактивная технология), работа прикладывается лишь к сравнительно небольшому удаляемому объему материала заготовки.

Таким образом, повышение производительности процессов послойного синтеза является актуальной задачей современной техники и технологий. Актуальность темы работы также подтверждается большим количеством опубликованных в последнее время результатов исследований зарубежных и отечественных авторов по проблематике повышения эффективности процессов послойного синтеза, постоянным появлением новых разработок в области аппаратного и программного обеспечения, а также методов послойного синтеза, активной экспансией технологий послойного синтеза в различные сферы науки и техники.

Целью диссертационной работы является повышение производительности и снижение энергоемкости процесса формообразования изделий послойным синтезом путем сокращения синтезируемого объема изделия за счет его армирования.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на фундаментальных положениях коллоидной химии, теории теплопроводности, теории взаимодействия лазерного излучения с веществом, физики полимеров, при широком использовании математического моделирования и численных методов с привлечением средств вычислительной техники и современных пакетов математических программ. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных условиях и включали в себя реализацию разработанного процесса посредством созданного экспериментального стенда, исследование свойств технологической среды, технологических параметров процесса, шероховатости поверхности образцов, полученных обработкой резанием и испытания образцов на прочность сцепления. Исследования проводились с привлечением аппарата математической статистики, в том числе корреляционного и регрессионного анализа. Достоверность результатов исследований подтверждается, их воспроизводимостью и апробацией полученных результатов;

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Разработанный способ, заключающийся в том, что лишь часть, объема изделия выполняется послойным синтезом, а остальная часть заранее изготавливается путем механической обработки, позволяет повысить производительность и снизить энергоемкость изготовления изделий в сравнении, с селективным лазерным, спеканием полимерных порошков на величину до* 46%. в зависимости от формы изделия за- счет сокращения-формируемого объема.

2. Вероятность возникновения, дефектов в, формируемых слоях зависит от коэффициента перекрытия треков и может быть установлена по предложенной регрессионной модели, связывающей данные величины функцией Лапласа.

3. Математическая модель температурного поля в процессе формирования слоев при воздействии лазерного излучения и методика определения расчетных значений геометрических параметров спекаемой области на основе параметров режима процесса.

Научная новизна работы состоит в:

1. Доказана возможность совмещения- формообразования изделий послойным синтезом с обработкой резанием посредством замещения части объема изделия заранее изготовленным армирующим элементом и формирования слоев путем теплового воздействия лазера на полимерсодержащую суспензию.

2. Создана методика расчета геометрических параметров спекаемой области технологической среды вследствие воздействия лазерного излучения.

3. Разработана и экспериментально подтверждена регрессионная модель вероятности отсутствия дефектов в формируемых слоях в зависимости от коэффициента перекрытия треков.

4. Установлено, что для обеспечения прочности соединения сформированных слоев и армирующих элементов, следует при механической обработке последних обеспечивать получение высоких значений шероховатости поверхности.

Практическая ценность работы заключается в:

1. Разработан способ послойного изготовления армированных объемных изделий (заявка на патент на изобретение №2010151804/20 РФ).

2. Разработаны программы среды МАТЪАВ, реализующие расчет геометрических параметров спекаемой области технологической среды вследствие воздействия лазерного излучения.

3. Разработано программное обеспечение (свидетельство №2010615786РФ), осуществляющее подготовку процесса послойного синтеза и формирующее управляющие программы для оборудования послойного синтеза армированных изделий на основе электронной модели изделия.Созданное программное обеспечение внедрено на предприятии НПЕС «Крона» (г. Ижевск) - разработчике САМ/САРР-подсистем ведущей отечественной САПР «САБ/САМ/САРР АБЕМ».

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан способ послойного лазерного синтеза армированных объемных изделий, при котором лишь часть объема изделия выполняется послойным синтезом, а остальная часть заранее изготавливается путем механической' обработки. Способ реализуется посредством теплового воздействия лазерного излучения на полимерсодержащую суспензию, в которой размещается заранее изготовленный армирующий элемент.

2. Разработанный способ позволяет повысить производительность и снизить энергоемкость изготовления изделий в сравнении с селективным лазерным спеканием полимерных порошков на величину до 46% в зависимости от формы изделия за счет сокращения формируемого объема.

3. Проведёнными исследованиями влияния шероховатости поверхности армирующих элементов на прочность их скрепления с формируемыми слоями изделия, установлено, что с увеличением шероховатости до значений 112 = 100 мкм прочность скрепления увеличивается.

4. Предложены и подтверждены экспериментально математическая модель температурного поля в процессе формирования слоев при воздействии лазерного излучения и методика определения расчетных значений геометрических параметров спекаемой области на основе режимных параметров процесса.

5. Режимы формирования слоев изделия разработанным способом ограничены значениями максимальных температур, возникающих в суспензии. Для реализации процесса необходимо, чтобы максимальные температуры 1 находились в диапазоне между температурой перехода полимера суспензии в высокоэластичное состояние 92,5 °С для полистирола) и температурой его деструкции 255°С для полистирола).

6. Возникновение дефектов в формируемых слоях изделия зависит от коэффициента перекрытия треков и носит случайный характер. Величина коэффициента перекрытия треков, обеспечивающая требуемую вероятность отсутствия дефектов в слое, может быть установлена на основе предложенной регрессионной модели.

1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. — М.: Издательство "Мир", 1979. — 568 с.

2. Бартенев Г.М., Френкель С .Я. Физика полимеров. — Л.: Химия, 1990. — 432 с.

3. Борисов Ю.С. и др. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. — Киев: Наукова думка, 1987. — 544 с.

4. Быков A.B., Вальтер A.B., Дуреев B.B. ADEM-VX. Портрет в миниатюре // САПР и графика. 2008. - № 12. — С. 32-34.

5. Вальтер A.B. Послойный синтез армированных объемных изделий // Горное машиностроение: сборник материалов. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала.) 2011. - №ОВ2. - С. 222-229.

6. Сборник трудов в 3-х томах.: Т. 1. — Томск: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2008. — С. 248-250.

7. Вальтер A.B. Подготовка процессов послойного синтеза и форматы исходных цифровых моделей // Технология производства машин: Межвузовский сборник научных трудов: Т. 2. — Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ; ФГОУ ВПО НГТИ, 2008. — С. 169-173.

8. Вальтер A.B., Орешков В.М., Опарин A.B. Nacre: св. об оф. регистрации ПрЭВМ №2010615786 РФ. — заявитель и правообладатель ГОУ ВПО "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", 2010.

9. Томск: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2010. — С. 192-195.

10. Вальтер A.B., Петрушин С.И. Формообразование армированных изделий послойным синтезом // Инновации в машиностроении: материалы I Международной научно-практической конференции 7-9 октября 2010 г. — Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. — С. 39-42.

11. Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая^ оптика). Конспект лекций. Часть I. Механизмы поглощения и диссипации энергии в веществе / под ред. Вейко В.П. — СПб.: СПб ГУ ИТМО, 2005. — 84 с.

12. Виноградов Б.А., Перепелкин К.Е., Мещерякова Г.П. Действие лазерного излучения на полимерные материалы: Научные основы и прикладные задачи. Кн. 1. — СПб.: Наука, 2006. — 379 с.

13. Виноградов Б.А., Перепелкин К.Е., Мещерякова Г.П. Действие лазерного излучения на полимерные материалы: Научные основы и прикладные задачи. Кн. 2. — СПб.: Наука, 2006. — 443 с.

14. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии.— М.: Химия, 1975. — 512 с.

15. ГОСТ 19710-83. Этиленгликоль. Технические условия.

16. ГОСТ 2.052-2006. Электронная модель изделия. Общие положения.

17. ГОСТ 20282-86. Полистирол общего назначения. Технические условия.

18. ГОСТ 6824-96. Глицерин дистиллированный. Общие технические условия.

19. ГОСТ 7580-91. Кислота олеиновая техническая. Технические условия.

20. ГОСТ Р ИСО 5479-2002. Статистические методы. Проверка отклонения распределения вероятностей от нормального распределения.

21. Гуреев Д.М., Петров A.JL, Шишковский И.В. Селективное лазерное спекание биметаллических порошковых композиций при лазерномвоздействии // Физика и химия обработки материалов. 1997. - № 6. -С. 92-97.

22. Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом: Курс лекций. —М.: Наука, 1980. — 280 с.

23. Дульнев Г.Н., Новиков В.В. Процессы переноса в неоднородных средах.

24. Л.: Энергоатомиздат, 1991. —248 с.

25. Дьяконов В.П. MATLAB 7./R2006/R2007. — М.: ДМК Пресс, 2008. — 768 с.

26. Звелто О. Принципы лазеров. — М.: Мир, 1990. — 560 с.

27. Зленко М. Технологии быстрого прототипирования послойный синтез физической копии на основе ЗБ-САО-модели // CAD/CAM/CAE Observer. - 2003. - № 2 (11) — С. 2-9.

28. Иванов П.И., Шишковский И.В., Щербаков В .И. Оптимизация режимов послойного селективного лазерного спекания объемных изделий // Механика композиционных материалов и конструкций: Т. 5. 1999. -№2— С. 29-40.

29. Иванова A.M. и др. Физические особенности селективного лазерного спекания порошковых металл-полимерных композиций // Квантовая электроника. 1998. - № 5— С. 433-438.

30. Испытание материалов. Справочник / под ред. Блюменауэр X. — М.: Металлургия, 1979. — 448 с.

31. Каблов В.Ф., Гайдадин А.Н. Расчет теплофизических характеристик полимерных композиций: Методические указания к лабораторной работе. —Волгоград: Волгоград, гос. тех. ун-т, 1995. — 11 с.

32. Кетков Ю.Л., Кетков А.Ю., Шульц. М.М. MATLAB 7: программирование, численные методы. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005.752 с.

33. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. — 816 с.

34. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). — СПб.: Питер, 2004. — 560 с.

35. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы порошковойметаллургии. В 2-х т. Т. 2. Формование и спекание. — М.: МИСИС, 2002. — 320 с.

36. Лыков A.B. Теория теплопроводности. — М.: Высшая школа, 1967.600 с.

37. Мордасов Д.М., Мордасов М.М. Технические измерения плотностисыпучих материалов. — Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004.80 с.

38. Мэйтлэнд А., Данн М. Введение в физику лазеров. — М.: Наука, 1978. — 408 с.

39. Отто А. Объединение лазерной обработки материалов с процессом формообразования // Фотоника. 2007. - № 5. - С. 2-9.

40. Петрушин С.И., Сапрыкин A.A., Сапрыкина H.A. Технология послойного синтеза изделий-прототипов: учебное пособие. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. — 101 с.

41. Петрушин С.И., Сапрыкин A.A., Вальтер A.B., Пономаренко C.B. Способ лазерно-компьютерного макетирования / Патент на изобретение №2262741 РФ // Заявитель и правообладатель ГОУ ВПО Томский политехнический университет.

42. Роджерс Д., Адаме Д. Математические основы машинной графики: Пер.с англ. — М.: Мир, 2001. — 604 с.fi 50. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. — М.: МАШГИЗ,1951. —296 с.I

43. Сапрыкин A.A. Повышение производительности процесса селективного лазерного спекания при изготовлении прототипов: дисс. канд. техн. наук: 05.03.01: защищена 19.11.06 : утв. 13.04.07. — Юрга: Томский политехнический университет, 2006.

44. Сапрыкин A.A., Сапрыкина H.A. Методика расчета толщины спеченного слоя порошка при импульсном лазерном излучении // Современные проблемы машиностроения. Труды II Международной научно-технической конференции. — Томск: Изд-во ТПУ, 2004. — С. 444-447.

45. Сапрыкин A.A., Вальтер А.В? Производительность процесса 2,5-координатного формообразования и технологичность изделий сложной пространственной формы // Технология машиностроения. — 2008. — № 2. — С. 20-22.

46. Сварка полимерных материалов: Справочник / под ред. Зайцев К.И., Мацюк A.B. — М.: Машиностроение, 1988. — 312 с.

47. Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения. — М.: Издательский центр "Академия", 2003. — 368 с.

48. Сироткин О.С. и др. Способ спекания деталей из порошка: патент на изобретение №2393056 РФ. — Заявитель и правообладатель Открытое акционерное общество Национальный институт авиационных технологий, 2010.

49. Тушинский ЛИ. и др. Методы исследования материалов: Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий. — М.: Мир, 2004. —384 с.

50. Федотовский B.C. Термомеханическая аналогия (теплопроводность и динамическая плотность гетерогенных сред): Препринт ФЭИ-2107. — Обнинск, 1990.

51. Федотовский B.C. Эффективная теплопроводность гетерогенных материалов // Теплопроводность и изоляция: Тр. 1-й Рос. нац. конф. по теплообмену. Т.10.Ч.2. — М.: МЭИ, 1990. — С. 116-120.

52. Физические величины: Справочник / под ред. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

53. Фокс А., Пратт М. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на производстве: Пер. с англ. -М.: Мир, 1982. — 304 с.

54. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов. 2ой изд. —М.: Химия, 1988. — 464 с.

55. Харанжевский Е.В., Ипатов А.Г. Микроструктура и свойства слоев при лазерной перекристаллизации порошковых материалов на основе железа // Вестник Удмуртского университета. 2007. - № 4. - С. 88-97.

56. Харанжевский Е.В., Ипатов А.Г. Структура и топография поверхностных слоев, полученных лазерным высокоскоростным спеканием порошков Fe-C-Ni, Fe-C-Cu // Вестник Удмуртского университета. 2010. — № 4-1.1. С. 74-83.

57. Черемных С.В., Семенов И.О., Ручкин B.C. Моделирование и анализ систем. IDEF-технологии: практикум. — М.: Финансы и статистика, 2006.-192 с.

58. Шишковский И.В. Использование селективного лазерного спекания в технологии литья по выплавляемым формам // Литейное производство. — 1999,-№7.—С. 19-23.

59. Шишковский И.В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезоструктур и объемных изделий. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. — 424 с.

60. Шишковский И.В., Гуреев Д.М., Петров А.Л. Формирование биосовместимых интерметаллидных фаз при лазерном спекании порошковых СВС композиций // Известия РАН. Серия физическая: Т. 63.- 1999.-№ 10—С. 2077-2081.

61. Шишковский И.В. и др. Синтез биокомпозита на основе никелида титана с гидроксиапатитом при селективном лазерном спекании // Письма в ЖТФ: Т. 27. 2001. - № 5 — С. 81-86.

62. Шишковский И.В., Куприянов Н.Л. Тепловые поля в металл-полимерных порошковых композициях при лазерном воздействии // Теплофизика высоких температур: Т. 35. — 1997. -№ 5— С. 722-726.

63. Щукин Е.Д., Перцов A.B., Амелина Е. А. Коллоидная химия. — М.: Высшая школа, 2004. — 445 с.

64. Agarwala М. et al. Direct selective laser sintering of metals/ M. Agarwala,

65. D.L. Bourell, J J. Beaman, H. Marcus, J. Barlow // Rapid Prototyping Journal: Vol. 1. -1995. -№ 1.—pp. 26-36.

66. Banerjee A.G. et al. Adaptive Slicing with Curvature Considerations / A.G. Banerjee, A. Kumar, S. Tejavath, A.R. Choudhury // International Journal of CAD/CAM: Vol. 3.-2003.-№ 1.—pp. 31-40.

67. Beaman J.J. Solid Freeform Fabrication: a New Direction in Manufacturing.

68. Boston, USA: Kluwer Academic Publishers, 1997. — 330 p.

69. Bourell D.L., Leu M.C.,> Rosen D.W. Roadmap for Additive Manufacturing. Identifying the Future of Freeform Processing. — Austin, TX, USA: The University of Texas at Austin, 2009. — 92 p.

70. Burns M. Automated Fabrication : Improving Productivity in.Manufacturing.

71. Englewood Cliffs, N.J., USA: PTR Prentice Hall, 1993. — 369 p.

72. Cooper K. Rapid Prototyping Technology: Selection and Application. — New York, USA: Marcel Dekker, 2001. — 264 p.

73. Deckard C.R. Method and Apparatus for Producing Parts by Selective Sintering: patent №4863538 USA. — UVP, Inc., 1989 .

74. Dolenc A., Makela I. Slicing Procedures for Layered Manufacturing Techniques // Computer-Aided Design: Vol. 26. -1994. № 2— pp. 119-126.

75. Dong L. et al. Three-dimensional transient finite element analysis of the Selective Laser Sintering process / L. Dong, F. Makradi, S. Ahzi, Y. Remond // Journal of Materials Processing Technology: Vol. 209. -2009. -№ 2— pp. 700-706.

76. Gibson I., Rosen D.W., Stucker B. Additive Manufacturing Technologies. Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing. — New York, USA: Springer, 2009. — 459 p.

77. Gibson I., Shi D. Material properties and fabrication parameters in Selective Laser Sintering Process // Rapid Prototyping Journal: Vol. 3. -1997. -№ 4—pp. 129-136.

78. Hull C.W. Apparatus for Production of Three-dimensional Objects by Stereolithography: patent №4575330 USA. — UVP, Inc., 1986.

79. Hur S.M. et al. Determination of fabricating orientation and packing in SLS process / S.M. Hur, K.H. Choi, S.H. Lee, P.K. Chang // Journal of Materials Processing Technology: Vol. 112/ 2001. - № 2-3— pp. 236-243.

80. Kamrani A. Rapid Prototyping : Theory and Practice. —New York: Springer, 2006. — 323 p.

81. Kruth J.P., Kumar S. Statistical Analysis of Experimental Parameters in Selective Laser Sintering // Advanced Engineering Materials: Vol. 7. -2005. -№8—pp. 750-755.

82. Kruth J.P. et al. Consolidation phenomena in laser and powder-bed based layer manufacturing / J.P. Kruth, G. Levy, F. Klocke, T. Childs // CIRP Annals: Vol. 56. -2007.- № 2— pp. 730-759.

83. Kruth J.P. et al. Consolidation of polymer powders by selective laser sintering / J.P. Kruth, G. Levy, R. Schindel, T. Craeghs // International Conference on Polymers and Moulds Innovations. — Gent, Belgium, 2008. —pp. 15-30.

84. Kulkarni P., Dutta D. Adaptive Slicing for Parametrizable Surfaces for Layered Manufacturing // Proceedings of ASME Design Engineering Technical Conference: Vol. 82-1. 1995. — pp. 211-217.

85. Lee S.H., Choi K.H. Generating optimal slicing data for layered manufacturing // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2000. - № 16— pp. 277-284.

86. Liou F. Rapid Prototyping and Engineering Applications: A Toolbox for Prototype Development. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2008. — 568 p.

87. Marsan A.L. et al. An Assessment of Data Requirements and Data Transfer Formats for Layered Manufacturing. / A.L. Marsan, V. Kumar, D. Dutta, M.J. Pratt. — Gaithersburg, MD, USA: NIST, 1998. — 61 p.

88. Mayer R.J. et al. AL-TR-1995-XXXX.IDEF3 process description capture method report. / R.J. Mayer, C. Menzel, P.S. de Witte, M.K. Painter, B. Perakath, T. Blinn. — Texas: Human Resources Directorate Logistic Research1. Division, 1995.—236 p.

89. Rapid Manufacturing : An Industrial Revolution for the Digital Age / ed. by Hopkinson N., Hague R.J.M., Dickens P.M. — Chichester England: John Wiley, 2006. — 304 p.

90. Rapid Prototyping Casebook / ed. by McDonald, J.A., Ryall C.J., Wimpenny D.L — London, UK: Professional Engineering Publishing Limited— 260 p.

91. Rock S.J., Wozny M.J. A Flexible File Format for Solid Freeform Fabrication // Solid Freeform Fabrication Symposium Proceedings. — Austin, TX, USA: The University of Texas at Austin, 1991. —pp. 1-12.

92. Singhal S.K. h flp. Optimum Part Deposition Orientation in Stereolithography // Computer-Aided Design & Application. -2005. -№ 1-4—pp. 319-328.

93. Suh Y.S., Wozny M.J. Adaptive Slicing of Solid Freeform Fabrication Processes // Proceedings of Solid Freeform Fabrication Symposium. — Austin, TX, USA: University of Texas at Austin, 1994. — pp. 404-411.

94. Tay F.E.H., Haider E.A. Laser sintered rapid tools with improved surface finish and strength using plating technology // Journal of Materials Processing Technology: Vol. 121. 2002. -№ 2-3—pp. 312-322.

95. Weiss W.L., Bourell D.L. Selective Laser Sintering of Intermetallics // Metallurgical Transactions and Materials Transactions A: Vol. 24. 1993. -№ 3—pp. 757-759.

96. B14^Additive:; Fabrications Terminology Unraveled Electronic resource. II

97. Broek J.J., Poelman W., Sleijffers W. Rapid prototyping revisited Electronic resource. // CADE publications archive, 2001. — Mode of access: http://dutocedo.tudelfl.nl/~jouke/docdb/docs/product200 lbroek.pdf (date of access: 23.10.2010).

98. Castle Island's Worldwide Guide to Rapid Manufacturing Electronic resource. . — Mode of access: http://home.att.net/~castleisland/ (date of access: 16.01.2010).

99. Company. About 3D. Systems Electronic resource. // 3D Systems. — Mode of access: http://www.3dsystems.com/company/index.asp (date of access: 17.06.2010).

100. Dolenc A. An Overview Of Rapid Prototyping Technologies In Manufacturing Electronic resource. // CiteS eerX1994. — date of access: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=l 0.1.1.106.9496&rep=rep 1 &type=pdf (date of access: 25.06.2010).

101. EnvisionTEC: PixCera Electronic resource. . — Mode of access: http://www.envisiontec.de/index.php?id=109 (date of access: 25.09.2010).

102. Fortus 3D Production Systems Dimension 3D Printers - RedEye On Demand Services Electronic resource. // Stratasys, Inc. — Mode of access: http://www.stratasys.com/corporate2.aspx?id=5542 (date of access: 17.06.2010).

103. Gupta S.K. Finding Near-Optimal- Build Orientations for Shape Deposition Manufacturing Electronic resource. . — Mode of access: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=l 0.1.1.125.3244&rep 1 &ty pe=pdf (date of access: 25.09.2010).

104. De Jagger PJ. et al. Automated Evaluation of Advanced Layered

105. Manufacturing Processes by Process Planning Electronic resource. // CADE publications archive, 2001. — Mode of access: http://dutoce.io. tudelft.nl/~jouke /docdb /docs/urapid200 ldejager.pdf (date of access: 23.10.2010).

106. Lipson H. Fab@Home. An Open-Source Personal Desktop Fabricator Kit Electronic resource. // Fab@Home. Make Anything, 2007. — Mode of access: http://www.mae.cornell.edu/ccsl/papers/Spectrum05Lipson.pdf (date of access: 03.11.2010).

107. Negis E. Classification of Major Additive Automated Fabrication Technologies According to Applied Fabrication Technique and Raw Phase and/or Form of Build Material Electronic resource. // TurkCADCAM, 1995 .

108. Mode of access: http://www.turkcadcam.net/erkutnegis/projeler/automated-fabrication-tech-classification-1995.pdf (date of access: 17.06.2010).

109. Products | iPro™ 8000 SLA® Center Electronic resource. . — Mode of access: http://www.3dsystems.com/products/sla/ipro/ipro8000.asp (date of access: 24.09.2010).

110. Products | Sintering Systems | Sinterisation Pro DM125/DM250 Electronic resource. . — Mode of access: http://www.3dsystems.com/products/datafiles /sinterstationproslm/SinterstationPro DM125DM250SLMSystem.pdf (date of access: 24.09.2010).

111. Products | Sintering Systems | sPro 140/230 SLS Electronic resource. . — Mode of access: http://www.3dsystems.com/products/datafiles/spro/ DSsPro140230SLSCenterUSEN.pdf (date of access: 24.09.2010).

112. Products | Sintering Systems | sPro 60 HD SLS Center Electronic resource. .

113. Mode of access: http://www.3dsystems.com/products/dataflles/spro/ DSsPro60HDUS.pdf (date of access: 24.09.2010).

114. Products|Sintering Systems|sPro 60SDSLS Center Electronic resource. . —

115. Mode of access: http://www.3dsystems.com/products/sls/spro/spro60sd.asp (date of access: 24.09.2010).

116. Rapid3D: Our Services/SLA Electronic resource. // Rapid3D. — Mode of access: http://www.rapid3d.co.uk/sla.php (date of access: 25.06.2010).

117. Stereolithigraphy Electronic resource. // Photopolymers. — Mode of access: http://www.photopolymer.com/stereolithography. htm(date of access: 17.06.2010).

118. Wohlers T. Worldwide Trends in Additive Manufacturing Electronic resource. // RapidTech, 2009:2010. — Mode of access: iweb.tntech.edu/rrpl /rapidtech2009/wohlers.pdf (date of access: 25.09.2010).