автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Технологические методы создания формообразующей оснастки на основе лазерной стереолитографии для деталей приборов широкого назначения

На правах рукописи

УДК 621.3.06:658.511 (043)

Стефанцов Евгений Евгеньевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ФОРМООБРАЗУЮЩЕЙ ОСНАСТКИ НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРНОЙ СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОВ ШИРОКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность: 05.11.14. -"Технология приборостроения"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в "Отделе технологий быстрого прототипирования ОАО "НИИТавтопром".

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Скородумов Станислав Владимирович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Бойченко Юрий Павлович

- кандидат технических наук, профессор Катомин Николай Николаевич

Ведущая организация - Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ)

Защита диссертации состоится

июля 2004 года в

/4

заседании диссертационного совета Д 850.001.01 в Московской академии рынка труда и информационных технологий (ГОУ "МАРТИТ") по адресу: Москва, Молодогвардейская ул., д.46, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ "МАРТИТ".

Автореферат разослан

июня 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор, кандидат технических

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одна из важнейших задач при разработке технологических процессов (ТП) изготовления деталей в приборостроении связана с необходимостью повышения качества изделий, снижения объемов и сроков технологической подготовки производства (ТПП), сокращения материальных, энергетических и трудовых затрат. Особую актуальность приобретает ускорение процессов проектирования и изготовления технологической оснастки. Желательно сразу переносить результаты автоматизированного проектирования в виде геометрических моделей поверхности изделия на формообразующие элементы оснастки (ФЭО), минуя длительные и трудоемкие этапы изготовления макетов и мастер-моделей.

Оперативно решать задачи обновления конструкции и номенклатуры изделий с целью обеспечения их конкурентоспособности, достижения технико-экономической рентабельности можно путем разработки прогрессивных технологических процессов проектирования и изготовления формующего инструмента, позволяющих с наибольшей эффективностью использовать достоинства быстро переналаживаемой оснастки, существенно снизить затраты на подготовку производства новых деталей и перейти от традиционных производственных систем для крупносерийного производства продукции к компьютеризированным производственным системам нового поколения для мелкосерийного производства высокотехнологичной продукции.

Выбор способа изготовления оснастки для мелкосерийного производства деталей имеет важнейшее значение и оказывает большое влияние на его технико-экономические показатели. Анализ существующих методов изготовления формообразующей оснастки показал, что для повышения эффективности ТПП деталей целесообразно использовать новые перспективные методы технологии послойного синтеза (ТПС) - лазерную стереолитографию и др. Совместное применение системы автоматизированного проектирования (САПР) - трехмерного 3D геометрическго моделирования и технологического процесса лазерной стереолитографии особенно эффективно при изготовлении ФЭО, т.к. позволяет повысить качество, снизить затраты и провести подготовку производства изделий в сжатые сроки.

В настоящее время на базе технологических лазеров ультрафиолетового (УФ) диапазона и систем числового программного управления (ЧПУ) разработаны стереолитографические установки, а также

I БИБЛИОТЕКА I 3

фотополимеризуемые композиции (ЖФПК). Однако требуют своего решения технологические задачи получения деталей приборов и других изделий сложной формы, отвечающих заданным техническим требованиям, повышения производительности ТП, оптимизации технологических параметров и режимов обработки деталей, снижения трудовых, материальных и временных затрат, раскрытия ноу-хау при использовании импортного оборудования путем формирования базы технологических знаний по послойному синтезу деталей методом лазерной стереолитографии.

В связи с этим представляется весьма актуальной задача исследования технологических особенностей метода лазерной стереолитографии для получения новых технологических знаний, т.е. установления и систематизации данных о наиболее важных закономерностях процесса послойного синтеза и технических средствах, применяемых для получения деталей с требуемыми свойствами, разработки ТП оперативного изготовления ФЭО, выполнения экспериментальных исследований и осуществления ТП на практике.

Цель работы. Одной из важнейших задач современного приборостроения является разработка и внедрение новых ТП и материалов, обеспечивающих повышение качества изделий. Ее решение одновременно с повышением технико-экономических показателей производства возможно путем разработки прогрессивных ТП изготовления деталей, главенствующую роль в которых играют процессы проектирования и изготовления формующего инструмента для получения деталей из полимерных и композиционных материалов.

Исследование закономерностей процесса лазерной стереолитографии и разработка на этой основе методик расчета технологических параметров формообразования деталей данным методом обеспечивает оперативное получение ФЭО с заданными эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести исследования закономерностей процесса лазерной стереолитографии, выделив свойства ЖФПК и параметры процесса формообразования деталей данным методом, таким образом получить новые технологические знания,

2) разработать, обосновать теоретически и экспериментально математическую модель процесса лазерной стереолитографии, отражающую взаимосвязь

технологических свойств ЖФПК с технологическими параметрами процесса синтеза деталей;

3) разработать структуру технологического процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для ускоренного производства малых партий деталей из полимерных материалов (ПМ).

Научную новизну работы представляют:

- результаты комплексного исследования процесса лазерной стереолитографии;

- математическая модель процесса лазерной стереолитографии, описывающая взаимосвязь между технологическими- свойствами- ЖФПК, технологическими-параметрами- процесса послойного синтеза, техническими характеристиками оборудования и эксплуатационными характеристиками изготавливаемой детали;

- методика расчета технологических параметров процесса лазерной стереолитографии, обеспечивающих изготовление деталей с заданными эксплуатационными характеристиками (точностью размеров и формы, геометрической стабильностью, жесткостью);

- алгоритм (функциональная модель) процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для мелкосерийного производства деталей из ПМ.

Практическая значимость работы.

Практическая значимость работы и предлагаемых технических решений заключается в разработке:

- методики расчета технологических параметров лазерной стереолитографии, позволяющей в аналитическом виде описать процесс формообразования под воздействием управляемого лазерного излучения УФ-диапазона и обеспечивающей получение стереолитографических моделей (СЛ-моделей) с заданными свойствами;

- технологических способов снижения остаточных усадочных напряжений в процессе формообразования деталей, обеспечивающих стабильность размеров и формы;

- методики повышения точности размеров и уменьшения шероховатости поверхности СЛ-моделей;

- способа снижения градиента степени конверсии олигомера в объеме детали, обеспечивающего повышение межслоевой прочности и изотропию свойств фотополимера;

- функциональной модели ТП изготовления ФЭО с подбором средств оснащения,

обеспечивающих оперативное изготовление ФЭО и, соответственно, ускорение процессов ТПП изделий приборостроения.

Автор выносит на защиту;

- методику расчета технологических параметров и результаты моделирования процесса послойного формообразования деталей приборов широкого назначения из ЖФПК методом лазерной стереолитографии;

- результаты анализа технологических закономерностей формообразования деталей из ЖФПК методом лазерной стереолитографии;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований точности и производительности метода лазерной стереолитографии;

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

- функциональную модель сквозного технологического процесса проектирования и изготовления ФЭО с использованием стереолитографических мастер-моделей.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (Москва, 1998 г.), на Международном научно-практическом симпозиуме "Современные технологии быстрого прототипирования и производства" (Москва, 1999 г.), на Международной молодежной научной конференции "Гагаринские чтения" (1998,1999,2000,2001 г.г).

Результаты работы в виде ноу-хау внедрены и используются при выполнении проектов создания прототипов изделий и формообразующей оснастки в ОАО "НИИТавтопром".

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 150 страницах, содержит 14 таблиц, 46 рисунков и состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 87 наименований; объем приложений - 55 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 прототипирования, 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 стереолитографии совместно с процессами трехмерного компьютерного моделирования и постпроцессами- оперативного изготовления ФЭО обеспечивает высокую технико-экономическую эффективность ее использования в целях снижения сроков ТПП и сокращения трудоемкости производства.

Принципиальная схема процесса стереолитографии и основные параметры, от которых зависит качество получаемых изделий, представлены на рис.1. Суть метода лазерной стереолитографии заключается в последовательном послойном отверждении тонких (0.1-0.25 мм) слоев ЖФПК вдоль оси Z, в результате чего создается монолитная трехмерная деталь.

В основе формообразования детали лежит механизм послойной фотоинициированной полимеризации ЖФПК под воздействием управляемого лазерного излучения ультрафиолетового (УФ) диапазона. Движение сканирование) лазерного луча 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 программно "рассеченной" на тонкие плоскопараллельные слои. Производительность процесса возрастает вместе с ростом мощности излучения, увеличением скорости сканирования лучом, по мере повышения фоточувствительности ЖФПК. После последующего облучения в УФ-камере и финишной мехобработки СЛ-модель используется в качестве мастер-модели для изготовления ФЭО.

Во второй главе представлены результаты комплексного исследования метода лазерной стереолитографии. В результате поиска, систематизации и анализа опубликованных работ по использованию лазерного излучения в процессах послойного синтеза изучены условия взаимодействия лазерного излучения с ЖФПК, проведен анализ свойств ЖФПК для стереолитографии, рассмотрены этапы создания и методики формообразования стереолитографических моделей, разработана классификация технологических факторов процесса управляемого послойного

синтеза, которые оказывают влияние на точность и производительность лазерной стереолитографии. Установлена теоретическая взаимосвязь между технологическими свойствами ЖФПК, техническими характеристиками оборудования и эксплуатационными свойствами стереолитографических моделей.

Анализ энергетического воздействия лазерного излучения на ЖФПК. В результате анализа литературных данных в работе принято, что энергетическая освещенность Ег изменяется по радиусу лазерного пятна, образуемого на поверхности ЖФПК, по закону нормального распределения Гаусса (рис.2):

где - значение энергетической освещенности в центре лазерного пятна (максимум энергетической освещенности);

- энергетическая освещенность (плотность потока лазерного излучения) на расстоянии х от центра, [Вт/м2]; - радиус лазерного пятна в т.

- радиус зоны эффективной фотополимеризации, внутри которой энергия облучения распределяется в пределах от

Рис.2. Распределение энергетической освещенности по радиусу луча.

В результате интегрирования уравнения (1) получаем значение площади под кривой Гаусса:

Умножив левую и правую части равенства (2) на получаем:

где Р1, — мощность лазера в фокальном пятне.

Значение энергетической экспозиции приходящейся на единицу площади в единицу времени в центре фокального пятна при воздействии энергетической освещенности определяем как:

где - переменная скорость сканирования луча лазера по поверхности ЖФПК.

Подставляя (4) в (3) и преобразуя его, получаем уравнение, которое позволяет определить в центральной части пятна, создаваемого лучом лазера,

перемещающимся по поверхности ЖФПК со скоростью сканирования

Аналитическое исследование закономерностей процесса фотополимеризации ЖФПК лучом лазера. Процесс поглощения падающего лазерного излучения в

тонком приповерхностном слое Ж'71771'

15 = 10е,5,...(6)

я законом Бугера-Ламберта-Бера:

где - поверхностная плотность лучистого потока излучения до прохождения сквозь слойЖФПК, [Вт/м2]; плотность потока после прохождения слоя толщиной 8;

- линейный показатель поглощения, представляющий собой пробег излучения, на котором плотность потока излучения при прохождении сквозь слой определенной толщины уменьшается в е раз, - глубина проникновения луча, [м].

Закон Бугера-Ламберта-Бера [уравнение (6)] можно представить в значениях энергетической экспозиции:

где - значение энергетической экспозиции до прохождения сквозь слой;

Н5 - значение энергетической экспозиции после прохождения сквозь слой толщиной 5.

В результате преобразования уравнения (7) путем замены Н5 на Н,ф, а 5 на 5ОТВ получено выражение (8), описывающее взаимосвязь между энергетической экспозицией действующей на слой ЖФПК толщиной и энергетической

экспозицией активации процесса фотополимеризации. 10

Логарифмированием (8) получили уравнение, связывающее толщину отвержденного слоя 6ОТ1) с глубиной проникновения луча лазера 5пр и отношением максимальной энергетической экспозиции Но к энергетической экспозиции Н,ф активации процесса полимеризации:

На рис.3 представлен график зависимости 5ОТВ = ,Д1пНо), построенный по экспериментальным данным для композиции SL5149. Зависимость толщины отвержденного слоя от энергетической экспозиции в полулогарифмических координатах имеет линейный характер.

Рис.3. Зависимость 8ОТВ =/(Н0) для ЖФПК 5149. Нкр = 57,40 Дж/м2;5отв = 0,143 х 10"3м;а=1/5ОТВ = 6,993 х 103 м (значение Но в точке пересечения прямой с осью абсцисс соответствует значению энергетической экспозиции активации процесса фотополимеризации Н^ (точка гелеобразования), тангенс угла наклона прямой - значению глубины проникновения 3„р)

Энергетическая экспозиция в лазерном пятне, движущемся по поверхности ЖФПК, как и Ег подчиняется нормальному закону распределения. Процесс фотополимеризации ЖФПК будет протекать только там, где Н(Г) > Н„р. В связи с этим радиус пятна и максимальную скорость перемещения луча лазера по поверхности

ЖФПК необходимо подобрать так, чтобы соблюдалось следующее условие:

При г(х) < г0 = Яф,, Н(г) > Н^, при г(х) = 0~* Н(г) = Нг

На рис.4 изображена графическая зависимость, описывающая изменение толщины 5ОТ, отвержденного слоя ЖФПК при сканировании его сфокусированным лучом лазера (один проход луча по оси X) с заданной скоростью и энергетической экспозицией.

Отвержденный участок ЖФПК представляет собой полосу параболообразного сечения, которое достаточно наглядно характеризует распределение лазерной энергии по диаметру луча и соответствующее изменение глубины отверждения в полимеризуемом объеме. Как видно из графика, максимальная толщина бта„ отвержденного слоя достигается при максимальном значении энергетической экспозиции Н0 в центре пятна лазера (вершина отвержденной полосы).

Рис.4. Зависимость толщины отвержденного слоя ЖФПК от энергетической экспозиции.

Для описания характера изменения толщины поперечного сечения отвержденной полосы ЖФПК были выведены уравнения (11)-(13):

Но

X

'"(Н^/Нцр) ...(11). 6„р 1п {[Н0 ехр(-2г*(Х/г*е)]/Нкр} ...(12).

¿птяГг) ~ ¿пр Ы {[^2/Я Р1 ехр^^/^а)]/^ Ну,]} ...(13).

Взаимосвязь технологических характеристик ЖФПК и технологических параметров процесса лазерной стереолитографии. Для оценки скорости фотополимеризации ЖФПК использовано значение скорости сканирования, с которой осуществляется отверждение слоя лучом лазера на заданную толщину при заданной мощности лазерного излучения.

Фокусирование лазерного пятна в процессе облучения слоя ЖФПК осуществляется таким образом, чтобы его радиус был близок к значению эффективного радиуса фотополимеризации Яфп-

Значение энергетической экспозиции Но, приходящейся на единицу поверхности ЖФПК в единицу времени, для отверждения слоя ЖФПК со скоростью сканирования согласно (5) равно:

В результате объединения и преобразования выражений (9) и (14) было получено уравнение, позволяющее связать скорость сканирования с технологическими параметрами процесса стереолитографии - мощностью Рц лазера, радиусом г0 пятна и технологическими характеристиками ЖФПК:

у,= (2/ я)"2 [ Рь / г0 Нкр] ехр (-5ОТВ/ 5пр) ...(15). Аналитическое исследование пространственных характеристик (точности размеров и шероховатости их поверхности) деталей, изготавливаемых методом лазерной стереолитографии. Точность СЛ-модели определяется точностью в плоскости синтеза слоев X-Y и точностью по вертикали Z. Для достижения заданной точности необходимо регулирование линейных отклонений размеров при синтезе СЛ-моделей с учетом величины линейной усадки, допуска на механическую обработку, точности позиционирования лазерного пятна на поверхности ЖФПК, точности позиционирования подвижной платформы.

Регулирование шероховатости поверхности СЛ-моделей. Чистота наклонных и криволинейных поверхностей СЛ-модели определяется толщиной синтезируемых слоев (высотой образующихся "ступенек") и углом их наклона, они будут довольно большими, т.к. толщина слоев изменяется в пределах 0,1...0,25 мм. Конечная чистота поверхности обеспечивается последующим шлифованием. Поскольку "ступеньки" удаляются механической обработкой, то их величину нужно учитывать при обеспечении необходимой точности деталей так же, как и усадку ЖФПК. В общем случае (рис.5) допуск на механообработку боковых поверхностей СЛ-модели можно

вычислить по уравнению: hx = Го sina + S^ cosa ,...(16)

где h„ - допуск на механическую обработку боковой поверхности; 80т» - толщина отвержденного слоя (высота "ступеньки"); - угол наклона криволинейной поверхности. В работе рассмотрены варианты расчета допуска h, на механическую обработку боковой поверхности СЛ-модели, сформулированы способы регулирования величины шероховатости.

Линия выступов Контур детали

Рис.5. Схема наклонной поверхности СЛ-модели.

Анализ закономерностей формирования отвержденного слоя. Различие в скорости фотополимеризации на разной глубине слоя ЖФПК приводит к различию в степени превращения полимера Для образования равнотолщинного слоя с одинаковой степенью превращения полимера предлагается специальный алгоритм облучения — штриховка поверхности ЖФПК проходами луча лазера с шагом сканирования к, позволяющим создать зону эффективного перекрытия смежных полос (рис.6б) и отверждаемых слоев (рис.6в).

Условия выбора оптимального значения шага сканирования. Из рис.6 видно, что образование плоской пластины из единичных полос шириной происходит, если шаг смещения При большом шаге смещения нижняя сторона пластины имеет

волнообразное строение с толщиной, изменяющейся от определяемой

уравнением (11), до 5т1П, величина которой зависит от к.

При параллельно заполимеризованные полоски соприкасаются друг с

другом по линии. С уменьшением к полоски отвержденной ЖФПК перекрывают

друг друга, образуется зона перекрытия г\ = 2гд — к.

В зоне перекрытия значение энергетической экспозиции суммируется, те. количество лазерной энергии в некоторой точке полимеризуемого участка ЖФПК будет равно сумме доз экспозиции, затрачиваемых на отверждение каждого из треков вблизи этой точки в месте перекрытия. Таким образом в этом месте увеличивается степень конверсии ЖФПК и толщина отвержденного слоя (рис.66), причем наибольшее увеличение толщины происходит в точке зоны перекрытия с координатой Т)/2.

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

§0X3(0 = 8пр 1п {[Но ехр(-2гУ г^)] / Н,,} ...(17),

или

Пластина с постоянной толщиной, равной образуется, когда в точке

пересечения профилей полос толщина полосы будет равна б,,,,^. Координата точки пересечения профилей отвержденных единичных полос х равна:

Величина шага к сканирования в этом случае будет равна:

к = 2 г(х) = г0 ^Зтах / 5пр ...(20), а зона перекрытия:

Уменьшение толщины полимеризуемого слоя при неизменном значении Но приводит к появлению зоны перекрытия смежных слоев (рис.бв).

Механизм компенсации усадочных напряжений Для уменьшения усадочных химических напряжений, возникающих при послойном синтезе детали,предлагается использовать последовательно следующие технологические приемы:

1) Синтез детали на разрезных поддерживающих элементах. Компенсация усадочных напряжений осуществляется за счет податливости конструкции поддержек на первой стадии формирования детали. Поддержки выращиваются в виде тонкой ортогональной сетки с периодичными технологическими разрезами шириной 1,5-2 мм.

2) Сканирование поверхости ЖФПК при отверждении очередного поперечного сечения детали прерывистыми линиями (штрихами). Технологические зазоры между штрихами позволяют частично компенсировать усадку ЖФПК при формировании полос в плоскости X-Y, поэтому напряжения в отверждаемой полосе уменьшаются.

3) 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.7), обеспечивающий полную реализацию усадки ЖФПК в слое.

Огвержденный участок верхнего слоя

ЖФПК (зазор)

Контур

верхнего

слоя

Отвержденный нижележащий слой Рис.7. Двухэтапное отверждение слоя ЖФПК.

При повторном проходе (второй этап) осуществляется дальнейшая полимеризация

ЖФПК в зазоре, при этом отверждаемый слой прочно соединяется с предыдущим. Такой механизм позволяет снизить остаточные напряжения и повысить размерную точность формируемой детали.

В третьей главе содержатся сведения об объектах, используемых традиционных и нестандартных методах исследования. В работе исследованы свойства СЛ-моделей, контрольных образцов, изготовленных на стереолитографических установках SLA-250, SLA-500 из акриловых ^Ь5149, SL5154) и эпоксидных ^5^, SL518O) ЖФПК. Характеристики ЖФПК, используемых в экспериментальных исследованиях, приведены в табл. 1.

Известные и оригинальные экспериментальные методики, примененные в работе, позволили исследовать следующие закономерности процесса послойного синтеза деталей:

- влияние технологических факторов послойного синтеза (энергетической экспозиции и толщины слоев) на точность процесса послойного формообразования СЛ-моделей;

- влияние технологических и эксплуатационных факторов на геометрическую стабильность размеров и формы СЛ-моделей;

- влияние направления послойного синтеза на физико-механические характеристики СЛ-моделей;

- влияние факторов послойного синтеза (скорости сканирования и толщины полимеризуемого слоя) на производительность метода лазерной стереолитографии.

Характеристики ЖФПК. Таблица 1

Свойства Марка ЖФПК

БЬ5149 БЬ 5154 БЬ 5170 БЬ 5180

Плотность р, г/см3 1,12 1,12 1,14 1,15

Вязкость л, сПа 2000 2000 180 187

Глубина проникновения 8П[), х!0'3 м 0,145 0,128 0,120 0,130

Энергетическая экспозиция Н,ф, Дж/м2 55 42 135 162

Разр. напряжение при растяжении ар, МПа 35,0 35,0 60,0 42,8

Модуль упругости при растяжении Ер, МПа 1 980,5 1025,0 3906,0 2730,5

Относительное удлинение при разрыве ер. % 10 10 18 14

Разр. напряжение при изгибе оизг, МПа - - 105,6 86,0

Модуль упругости при изгибе Еизг, МПа - - 2820,0 2455,4

Ударная вязкость ан, кДж/см2 22,8 26,0 30.6 38,0

Твердость по Шору 78 78 85 84

Усадка по объему, % 5 5 2 1

Температура стеклования Тс, °С 83 83 83 80

Представленная математическая модель процесса лазерной стереолитографии разработана с целью его аналитического описания. Построение математической модели производилось с учетом следующих факторов (см. рис.1):

- мощности излучения лазера, радиуса фокусного пятна лазера, скорости сканирования слоя ЖФПК лучом лазера;

- технологических свойств ЖФПК: глубины 5„р проникновения лазерного луча, энергетической экспозиции Н„р активации процесса фотополимеризации;

- геометрических характеристик СЛ-модели: объема Vqj, суммарной площади S поверхности, высоты и толщины полимеризуемых слоев.

Если необходимо изготовить СЛ-модель объемом Vcj, общей площадью поверхности S, высотой то при равной толщине с л о<е,в,н а которые она программно разбивается, количество слоев, среднюю площадь поперечных сечений и среднюю длину контуров сканирования рассчитывали по формулам:

Lcp = S/N Some -S/Some ...(24).

Время изготовления СЛ-модели 1цзг- по уравнению:

Ппг = h + lp + N-tsKOHT + Ntsuiw + N-Át + /¡под + tc ...(25),

где Í3 - время, необходимое для заливки в бак ЖФПК; tp - время, необходимое для задания режимов работы; At — время подготовки одного слоя и перехода к сканированию другого (30-60 сек); te- время съема СЛ-модели с платформы,

- время прорисовки контура сечения модели в заданном слое, где — скорость прорисовки контура. Ьштр~ IScp/(k vsulTP) = 2V/(N- Some 'k-v^iurp) ...(27) - время X-Y-сканирования поперечного сечения внутри контура модели, где к - шаг сканирования, Vsmrp -скорость сканирования области внутри контура;

- время формирования поддержек, где S¡joj - суммарная площадь поверхности под держек. Тогда

tmr = t3 + tp + 2S/(8om<¡ ■vsKOHi) + 2 V/(Sm k-vs[UTp) +

Значения скоростей сканирования рассчитывали по формулам:

где - энергетическая экспозиция, требуемая для полимеризации контура

модели в заданном сечении, Нщтр - энергетическая экспозиция, необходимая для полимеризации области внутри контура модели в заданном сечении. Для расчета значения энергетических экспозиций применяли выражения: Нконт = Н*р ехр[(д0тв + дконд /<У7 .»(32) нщтр = ну ехр[(some + ¿штр) / snp)] ... (33), где (<5оти + бконт) = 8отв(коиг) - толщина полимеризуемого слоя по контуру поперечного сечения, - величина перекрытия двух смежных слоев при их соединении по

контуру; (Some + бщтр) = б^щгр) - толщина полимеризуемого слоя внутри контура, где 8ц|тр - величина перекрытия двух смежных слоев при их соединении в зоне штриховки.

На основе математической модели разработана методика расчета технологических параметров процесса стереолитографии, позволяющая оценить скорость изготовления СЛ-моделей.

Во втором и третьем разделах главы приведены результаты исследований точности процесса формообразования СЛ-моделей, изучено влияние технологических факторов на эксплуатационные характеристики СЛ-моделей. В ходе исследований установлены следующие закономерности.

Точность и качество поверхности СЛ-модели зависит от толщины полимеризуемых слоев (при увеличении толщины слоя ухудшается качество поверхности СЛ-модели — образуются высокие "ступеньки"), ориентации СЛ-модели к рабочей зоне платформы: с более высокой точностью получаются элементы, расположенные строго вертикально или горизонтально относительно платформы.

Точность СЛ-модели напрямую зависит от точности позиционирования платформы относительно оси Z. Вносимая при этом погрешность может достигать величины, превышающей реальное значение отклонения размеров, обусловленное усадкой полимера.

Энергетическая экспозиция, с которой осуществляется последовательное сканирование слоев, вносит решающий вклад в точность изготовления СЛ-моделей (рис.8): более высокое значение экспозиции, соответствующее большей глубине перекрытия слоев, обуславливает более точное формообразование вследствие более глубокой и равномерной по объему степени отверждения слоев и, соответственно, более высокой их жесткости и деформационной устойчивости.

Относительная влажность воздуха также оказывает существенное влияние на геометрическую стабильность СЛ-моделей: поглощение влаги ведет к набуханию

полимера и росту отклонения размеров модели. Поэтому готовые СЛ-модели должны храниться в сухом помещении.

Установлено, что направление послойного синтеза СЛ-моделей не оказывает существенного влияния на их физико-механические характеристики. Это позволяет сделать вывод о квазиизотропности материала мастер-моделей ФЭО, изготавливаемых методом лазерной стереолитографии.

Рис.8. Характер изменения во времени размеров СЛ-образцов, изготовленных с различной величиной перекрытия слоев.

Показано, что выбор толщины слоя, с точки зрения повышения производительности процесса, сводится к сопоставлению двух факторов. Что сильнее влияет на скорость изготовления СЛ-модели (рис.9): увеличение числа слоев (соответственно, увеличение скорости отверждения более тонких слоев), или увеличение толщины слоев, приводящее к снижению скорости отверждения каждого слоя и требующее роста подводимой энергетической экспозиции. Время изготовления детали зависит от конфигурации в плане и площади каждого слоя, а также параметров процесса подготовки к синтезу следующего слоя. При малой площади отверждаемого участка увеличение толщины слоя дает ощутимое уменьшение времени изготовления СЛ-модели. При увеличении площади снижается влияние времени подготовки слоев, поэтому скорость изготовления СЛ-

модели при больших площадях поперечных сечений возрастает.

Рис.9. Характер изменения толщины полимеризуемого слоя с ростом энергетической экспозиции (а) и скорости сканирования (б).

В четвертой главе, состоящей из двух разделов, приведена разработанная технология оперативного изготовления формообразующих элементов оснастки с использованием стереолитографических мастер-моделей.

В первом разделе рассмотрена новая концепция производства - система компактного интеллектуального производства (КИПр), послужившая основой разработки сквозного технологического процесса изготовления ФЭО. Базируясь на использовании современных компьютерных технологий совместно с высокотехнологичным оборудованием, система КИПр исключает повторный ввод и многократную обработку технологической информации, обеспечивает ее преемственность и сохранность на всех стадиях производственного процесса. Благодаря технологической гибкости система КИПр 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 КИПр (рис.10). Верхняя часть диаграммы описывает КИПр как функцию, в основе которой лежит преобразование входных переменных (информационных и материальных потоков): - в выходные результаты системы

КИПр: {0|, О2, О^, О4}. Нижняя часть схемы детализирует верхнюю, описывая пять

главных функций (подсистем) системы КИПр: - исследование конъюнктуры рынка

(маркетинг); - техническая подготовка производства; - быстрое

прототипирование; - оперативное изготовление формообразующей оснастки; -

мелкосерийное производство продукции. Согласно структуре КИПр 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 стереолитографических мастер-моделей. Структурное построение ТП оперативного производства ФЭО и последующего мелкосерийного производства деталей из ПМ основано на принципе сквозного взаимодействия подсистем КИПр. Все его составные элементы (подпроцессы объединены в единую информационно-

технологическую базу. Взаимодействие между структурными элементами сквозной технологической цепи "проектирование / прототипирование / изготовление оснастки / мелкосерийное производство" осуществляется путем обмена и преобразования данных (параметров производственного процесса) в автоматизированном режиме из одной подсистемы в последующую посредством совместимого программного интерфейса. В результате резко повышается эффективность и точность функционирования всей производственной системы.

Принцип сквозной производственной системы сводится к интеграции следующих подпроцессов:

- трехмерное автоматизированное проектирование изделия и ФЭО

- разработка управляющей программы послойного синтеза и изготовление стереолитографических мастер-моделей ФЭО (подпроцесс

- изготовление ФЭО по стереолитографическим мастер-моделям (А4); мелкосерийное производство изделий из ПМ (подпроцесс

В разделе два также рассмотрена структура следующих ТП, разработанная в соответствии с функциональной моделью КИПр и позволяющая приступить к практической реализации технологии оперативного изготовления ФЭО с использованием стереолитографических мастер-моделей:

1) изготовление ФЭО из кремний-органических компаундов методом заливки;

2) изготовление ФЭО методом электродугового напыления сплавов металлов;

3) изготовление керамических оболочковых форм для точного литья по выжигаемым стереолитографическим моделям;

4) изготовление ФЭО методом инструментальной гальванопластики.

Выбор экспресс-процесса в первую очередь обуславливается влиянием на его практическую реализацию производительности, программы выпуска формуемых деталей, характеристик полуфабриката ПМ и оборудования, производственных расходов (стоимости материалов, установок, накладных расходов).

Рис.10. Функциональная модель производственного процесса в системе КИПр.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа методов изготовления формообразующей оснастки показано, что для повышения их эффективности необходимо использовать методы быстрого прототипирования на базе послойного синтеза деталей сложной формы. Исследование технико-экономических характеристик ТПС показало, что по совокупности показателей ведущим методом быстрого прототипирования является метод лазерной стереолитографии.

2. Исследование метода лазерной стереолитографии позволило определить его технологические характеристики, провести классификацию факторов, оказывающих влияние на качество и производительность процесса изготовления СЛ-моделей, а также разработать математическую модель процесса лазерной стереолитографиии, отражающую взаимосвязь технологических свойств ЖФПК с параметрами процесса синтеза деталей под воздействием управляемого лазерного излучения УФ-диапазона.

3. На основе разработанной математической модели создана методика расчета технологических параметров процесса формообразования, позволяющая в аналитическом виде описать процесс синтеза СЛ-моделей, что позволяет на практике достигнуть следующих преимуществ перед традиционными ТП изготовления формующей оснастки:

- снизить трудоемкость изготовления ФЭО в 1,5-3 раза (в зависимости от сложности детали прибора);

- снизить на 20-30% стоимость изготовления ФЭО и общие затраты на ТПП;

- сократить в 3-5 раз период времени ТПП деталей из ПМ;

- уменьшения в 1,5-2 раза себестоимости производства деталей приборов из ПМ, что имеет существенное значение для приборостроения.

4. Экспериментальными и теоретическими исследованиями показано, что на точность и производительность процесса лазерной стереолитографии оказывают влияние следующие факторы:

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

- усадка ЖФПК при фотоотверждении и коробление деталей при дополнительной УФ-обработке (деполимеризации);

- точность X-Y-сканирования луча лазера и позиционирования платформы;

- характеристики лазерного излучения и фокусирующей оптики (интенсивность, значение энергетической экспозиции, диаметр фокусного пятна);

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

5. Геометрическая стабильность и точность СЛ- моделей существенно зависит от типа ЖФПК, завершенности процесса фотополимеризации, воздействия окружающей среды. Повышения стабильности формы и точности размеров, уменьшения шероховатости поверхности синтезируемых моделей, снижения градиента степени конверсии олигомера в их объеме и величины остаточных усадочных напряжений в процессе формообразования можно добиться, применяя разработанные в диссертации

рекомендации по выбору величины перекрытия и толщины полимеризуемых слоев, учету усадки ЖФПК и припуска на последующую доработку модели, а также приемы, обеспечивающие свободное протекание в фотополимере химической усадки. 6. Разработана функциональная модель, описывающая ТП оперативного проектирования и изготовления ФЭО по СЛ-моделям, взаимодействие ее составных элементов. На основе этой модели 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 СЛ-моделей и решить поставленную в работе актуальную научно-техническую задачу.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Стефанцов Е.Е., Скородумов СВ., Виноградов В.М. Послойный синтез деталей из фотоотверждающихся композиций методом лазерной стереолитографии. В кн.: Тез.докл. XXIV Гагаринских чтений - Междунар. молод, научн. конф.: Материаловедение и технология полимерных и углерод-углеродных материалов. - М: МАТИ, 1998.-С.116-117.

2. Стефанцов Е.Е., Виноградов В.М., Скородумов СВ. Технология изготовления формообразующей оснастки из ПКМ с использованием лазерной стереолитографии. В кн.: Тез. докл.Всероссийск. НТК: Новые материалы и технологии.- М.: МАТИ, 1998, Т.1. -С.88-89.

3. Стефанцов Е.Е., Скородумов СВ., 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.

4. Стефанцов Е.Е., Скородумов СВ., Виноградов В.М. Технологические факторы, оказывающие влияние на эффективность процесса лазерной стереолитографии. В кн.: Тез.докл. XXV Гагаринских чтений - Междунар.молод. научн. конф.: Материаловедение и технология полимерных и углерод-углеродных материалов. - М.: МАТИ, 1999.-С56-57.

5. Беляев В.И., Стефанцов Е.Е. Новейшие технологии и оборудование для производства малых серий изделий из металлов и пластмасс // Литейное производство. -М., 1999,№7-С38-41.

6. Стефанцов Е.Е., Скородумов СВ., Виноградов В.М. Влияние толщины

полимеризуемого слоя на точность процесса лазерной стереолитографии. В кн.: Тез.докл. XXVI Гагаринских чтений - Междунар.молод.научн.конф.: Материаловедение и технология полимерных и углерод-углеродных материалов. — М: МАТИ,2000.-С.85-86.

7. Стефанцов Е.Е., Скородумов СВ., Виноградов В.М. Методы послойного синтеза конструкторских прототипов//Полимерные материалы: изделия, оборудование, технологии (Информационный бюллетень). 2000. - №1(8). - С. 8-9.

8. Стефанцов Е.Е., Скородумов СВ., Виноградов В.М. Алгоритм послойного синтеза стереолитографических моделей. В кн.: Тез.докл. XXVII Гагаринских чтений - Междунар. молод, научн. конф.: Материаловедение и технология полимерных и углерод-углеродных материалов. - М.: МАТИ, 2001. - С.77-78.

9. Виноградов В.М., Скородумов СВ., Стефанцов Е.Е. Параметры послойного синтеза деталей методом лазерной стереолитографии. В сб.трудов т.З. Междунар. научн.-техн. конф. "Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры". (г.Севастополь. 9-17 сент.2000г.). Под ред. Рыжикова И.В. - М.: МГАПИ, 2001-С41-45.

№13 5 8 0

Разрешено в печать 13.05.04 Тираж 60 экз.

Введение

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

1.1. Актуальность использования полимерных материалов в технологии приборостроения.

1.2. Потребность в оперативном изготовлении технологической оснастки

1.3. Традиционные методы изготовления технологической оснастки для производства деталей приборов.

1.4. Методы послойного синтеза конструкторских прототипов деталей и формообразующих элементов оснастки.

2. Основные закономерности послойного синтеза деталей из фотополимеризуемых композиций методом лазерной стерео литографии.

2.1. Физико-химические основы процесса лазерной стереолитографии.

2.1.1. Предпосылки использования лазеров в процессах послойного синтеза деталей.

2.1.2. Взаимодействие лазерного излучения со светочувствительными композициями, основные механизмы процесса фотоинициярованной полимеризации.

2.1.3. Состав фотополимеризуемых композиций, отверждаемых в ультрафиолетовом спектре

2.1.4. Жидкие фотополимеризуемые композиции (ЖФПК), используемые в технологии лазерной стерео литографии.

2.2. Основные этапы создания стереолитографических моделей.

2.3. Основные технологические факторы, определяющие условия протекания процесса лазерной стереолитографии.

2.4. Анализ закономерностей метода лазерной стереолитографии.

2.4.1. Аналитическое исследование закономерностей процесса фотополимеризации ЖФПК лучом лазера.

2.4.2. Анализ энергетического воздействия лазерного излучения на ЖФПК,.

2.4.3. Взаимосвязь технологических характеристик ЖФПК и технологических параметров процесса лазерной стереолитографии.

2.4.4. Анализ закономерностей формирования отвержденного слоя.

3. Исследование влияния факторов послойного синтеза на процесс изготовления мастер-моделей формообразующих элементов оснастки методом лазерной стереолитографии.

3.1. Объекты и методы исследования.

3.2. Моделирование процесса послойного синтеза деталей методом лазерной стереолитографии.

3.3. Исследование влияния толщины полимеризуемого слоя на производительность процесса лазерной стереолитографии.

3.4. Исследование влияния факторов послойного синтеза на точность процесса формообразования.

3.5. Исследование влияния направления послойного синтеза на физико-механические характеристики стереолитографических моделей.

4. Разработка технологии оперативного изготовления формообразующих элементов оснастки с использованием лазерной стереолитографии.

4.1. Разработка концептуальной модели "Компактного Интеллектуального Производства".

4.2. Структура сквозного технологического процесса оперативного изготовления формообразующей оснастки с использованием лазерной стереолитографии.

Актуальность работы. Основополагающими факторами успеха предприятий в конкурентной борьбе являются высокие потребительские качества выпускаемой продукции, ее надежность при эксплуатации, непрерывное совершенствование производственного процесса.

Методы формообразования деталей в приборостроении, как и в других отраслях, 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 технологической оснастки для формования деталей. Желательно сразу переносить результаты автоматизированного проектирования в виде геометрических моделей поверхности изделия на формообразующие элементы оснастки (ФЭО), минуя длительные и трудоемкие этапы изготовления макетов и мастер-моделей.

Оперативно решать задачи обновления конструкции и номенклатуры изделий с целью обеспечения их конкурентоспособности, достижения технико-экономической рентабельности можно путем разработки прогрессивных технологических процессов проектирования и изготовления формующего инструмента, позволяющих с наибольшей эффективностью использовать достоинства быстро переналаживаемой оснастки, существенно снизить затраты на подготовку производства новых деталей и перейти от традиционных производственных систем для крупносерийного производства продукции к компьютеризированным производственным системам нового поколения для мелкосерийного производства высокотехнологичной продукции.

Выбор способа изготовления оснастки для мелкосерийного производства деталей имеет важнейшее значение и оказывает большое влияние на его технико-экономические показатели. Так на проектирование и изготовление формообразующей оснастки может затрачиваться до 90 % времени и 80 % трудоемкости от общих затрат на техническую подготовку производства (Т1111) 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 сочетает широкую универсальность с высокой производительностью.

Анализ существующих методов изготовления формообразующей оснастки показал, что для повышения эффективности Т1111 деталей целесообразно использовать новые перспективные методы технологии послойного синтеза (ТПС) - лазерную стереолитографию и др. Совместное применение системы автоматизированного проектирования (САПР) -трехмерного 3D геометрическго моделирования и технологического процесса лазерной стереолитографии особенно эффективно при изготовлении ФЭО, т.к. позволяет повысить качество, снизить затраты и провести подготовку производства изделий в сжатые сроки.

В настоящее время на базе технологических лазеров ультрафиолетового (УФ) диапазона и систем числового программного управления (ЧПУ) разработаны стереолитографические установки, а также адаптированные к УФ-излучению жидкие фотополимеризующиеся композиции (ЖФПК). Однако требуют своего решения технологические задачи получения деталей приборов и других изделий сложной формы, отвечающих заданным техническим требованиям, повышения производительности ТП, оптимизации технологических параметров и режимов обработки деталей, снижения трудовых, материальных и временных затрат, раскрытия ноу-хау при использовании импортного оборудования путем формирования базы технологических знаний по послойному синтезу деталей методом лазерной стереолитографии.

В связи с этим представляется весьма актуальной задача исследования технологических особенностей метода лазерной стереолитографии для получения новых технологических знаний, т.е. установления и систематизации данных о наиболее важных закономерностях процесса послойного синтеза и технических средствах, применяемых для получения деталей с требуемыми свойствами, разработки ТП оперативного изготовления ФЭО, выполнения экспериментальных исследований и осуществления ТП на практике.

Цель работы. Одной из важнейших задач современного приборостроения является разработка и внедрение новых ТП и материалов, обеспечивающих повышение качества изделий. Ее решение одновременно с повышением технико-экономических показателей производства возможно путем разработки прогрессивных ТП изготовления деталей, главенствующую роль в которых играют процессы проектирования и изготовления формующего инструмента для получения деталей из полимерных и композиционных материалов.

Исследование закономерностей процесса лазерной стереолитографии и разработка на этой основе методик расчета технологических параметров формообразования деталей данным методом обеспечивает оперативное получение ФЭО с заданными эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести исследования закономерностей процесса лазерной стереолитографии, выделив свойства ЖФПК и параметры процесса формообразования деталей данным методом, таким образом получить новые технологические знания,

2) разработать, обосновать теоретически и экспериментально математическую модель процесса лазерной стереолитографии, отражающую взаимосвязь технологических свойств ЖФПК с технологическими параметрами процесса синтеза деталей;

3) разработать структуру технологического процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для ускоренного производства малых партий деталей из полимерных материалов. Научную новизну работы представляют:

- результаты комплексного исследования процесса лазерной стереолитографии;

- математическая модель процесса лазерной стереолитографии, описывающая взаимосвязь между технологическими свойствами ЖФПК, технологическими параметрами процесса послойного синтеза, техническими характеристиками оборудования и эксплуатационными характеристиками изготавливаемой детали;

- методика расчета технологических параметров процесса лазерной стереолитографии, обеспечивающих изготовление деталей с заданными эксплуатационными характеристиками (точностью размеров и формы, геометрической стабильностью, жесткостью);

- алгоритм (функциональная модель) процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для мелкосерийного производства деталей из полимерных материалов.

Практическая значимость работы и предлагаемых технических решений заключается в разработке:

- методики расчета технологических параметров лазерной стереолитографии, позволяющей в аналитическом виде описать процесс формообразования под воздействием управляемого лазерного излучения УФ-диапазона и обеспечивающей получение стереолитографических моделей (СЛ-моделей) с заданными свойствами;

- технологических способов снижения остаточных усадочных напряжений в процессе формообразования деталей, обеспечивающих стабильность размеров и формы;

- методики повышения точности размеров и уменьшения шероховатости поверхности СЛ-моделей;

- способа снижения градиента степени конверсии олигомера в объеме детали, обеспечивающего повышение межслоевой прочности и изотропию свойств фотополимера;

- функциональной модели ТП изготовления ФЭО с подбором средств оснащения, обеспечивающих оперативное изготовление ФЭО и, соответственно, ускорение процессов ТПП изделий приборостроения.

Автор защищает:

- методику расчета технологических параметров и результаты моделирования процесса послойного формообразования деталей из ЖФПК методом лазерной стереолитографии;

- результаты анализа технологических закономерностей формообразования деталей из ЖФПК методом лазерной стереолитографии;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований точности и производительности метода лазерной стереолитографии;

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

- функциональную модель сквозного технологического процесса проектирования и изготовления ФЭО с использованием стереолитографических мастер-моделей.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (Москва, 1998 г.), на Международном научно-практическом симпозиуме "Современные технологии быстрого прототипирования и производства" (Москва, 1999 г.), на Международной молодежной научной конференции "Гагаринсьсие чтения" (1998-2001 г.г.).

Основные выводы

1. В результате анализа методов изготовления формообразующей оснастки показано, что для повышения их эффективности необходимо использовать методы быстрого прототипирования на базе послойного синтеза деталей сложной формы. Исследование технико-экономических характеристик ТПС показало, что по совокупности показателей ведущим методом быстрого прототипирования является метод лазерной стереолитографии.

2. Исследование метода лазерной стереолитографии позволило определить его технологические характеристики, провести классификацию факторов, оказывающих влияние на качество и производительность процесса изготовления СЛ-моделей, а также разработать математическую модель процесса лазерной стереолитографиии, отражающую взаимосвязь технологических свойств ЖФПК с параметрами процесса синтеза деталей под воздействием управляемого лазерного излучения.УФ-диапазона

3. На основе разработанной математической модели создана методика расчета технологических параметров процесса формообразования, позволяющая в аналитическом виде описать процесс синтеза СЛ-моделей, что позволяет на практике достигнуть следующих преимуществ перед традиционными ТП изготовления формующей оснастки: снизить трудоемкость изготовления ФЭО в 1,5-3 раза (в зависимости от сложности детали); снизить на 20-30% стоимость изготовления ФЭО и общие затраты на ТПП; сократить в 3-5 раз период времени ТПП деталей из ПМ; уменьшения в 1,5-2 раза себестоимости производства деталей из ПМ, что имеет существенное значение для приборостроения.

4. Экспериментальными и теоретическими исследованиями показано, что на точность и производительность процесса лазерной стереолитографии оказывают влияние следующие факторы: расположение детали в рабочей зоне (выбор технологических баз); усадка ЖФПК при фотоотверждении и коробление деталей при дополнительной УФ-обработке (дополимеризации); точность Х-У-сканирования луча лазера и позиционирования платформы; характеристики лазерного излучения и фокусирующей оптики (интенсивность, значение энергетической экспозиции, диаметр фокусного пятна); толщина фотополимеризуемого слоя (с учетом перекрытия смежных слоев).

5. Геометрическая стабильность и точность СЛ- моделей существенно зависит от типа ЖФПК, завершенности процесса фотополимеризации, воздействия окружающей среды. Повышения стабильности формы и точности размеров, уменьшения шероховатости поверхности синтезируемых моделей, снижения градиента степени конверсии олигомера в их объеме и величины остаточных усадочных напряжений в процессе формообразования можно добиться, применяя разработанные в диссертации рекомендации по выбору величины перекрытия и толщины полимеризуемых слоев, учету усадки ЖФПК и припуска на последующую доработку модели, а также приемы, обеспечивающие свободное протекание в фотополимере химической усадки.

6. Разработана функциональная модель, описывающая ТП оперативного проектирования и изготовления ФЭО по СЛ-моделям, взаимодействие ее составных элементов. На основе этой модели 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 СЛ-моделей и решить поставленную в работе актуальную научно-техническую задачу.

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. Л.: 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 И.А. 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. М.: 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.: Высш. шк., 1990. - 447 с.

9. Обзор технологий Rapid Prototyping / Материалы выставки "EuroMold (Германия)". Инженерная фирма "АБ Универсал", 1997.11 .Белянин П.Н. Промышленные роботы и их применение: Робототехника для машиностроения. -М.: Машиностроение, 1983. 419 с.

10. Скородумов С.В., Виноградов В.М., Стефанцов Е.Е. Методы послойного синтеза конструкторских прототипов. Полимерные материалы: изделия, оборудование, технологии // Информационный бюллетень, 2000. №1(8) -С.8-9.

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

12. Новые методы создания конструкторских прототипов изделий и изготовления технологической оснастки // Информационные бюллетени и материалы выставки "Машиностроение'97 (Москва)", 1997.

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

14. 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.

15. Three dimensional modeling apparatus. Assignee Cubital Ltd. United States patent Pat. № 5263130. US CI. 345/418, 11.16.1993.

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

17. Apparatus and method for producing parts with multi-directional powder delivery. Assignee DTM Corp. United States Pat. № 5252264. US CI. 264/497, 12.10.1993.

18. Apparatus for forming an integral object from laminations. Assignee Helysis Inc. United States Pat. № 5637175. US CI. 156/264, 10.06.1997.

19. Apparatus and method for creating three-dimensional objects. Assignee Stratasys Inc. United States Pat. № 5121329. US CI. 364/468.26, 09.06.1992.22.3-D model maker. Assignee Sanders Prototypes. United States Pat. № 5506607. US CI. 347/1,09.04.1996.

20. Браун Стюарт. Формование деталей в жидком пластике. Reprinted from Popular Science with permission Times Mirror Magazines Inc., New York, 1989.

21. Стефанцов E.E., Скородумов C.B., Виноградов B.M. Оперативное изготовление формообразующей оснастки с использованием лазерной стереолитографии. Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского. М., МАТИ, 1999, Вып.2 (74), с. - 187-191.

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

23. Евсеев A.B., Камаев C.B., Якунин В.П. Изготовление физических моделей методом стереолитографии // Автоматизация проектирования, 1999. №2.

24. Жан-Марк Ле Галль. Управление людскими ресурсами. М.: Изд-во Конкорд, 1995. - 128 с.

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

26. Charles W. Hull, Stuart Т. Spence, David J. Albert, Harry L. Tarnoff. Method and apparatus for production of high resolution three-dimensional objects by stereolithography. Assignee 3D Systems Inc. United States patent № 5182715, 26.01.1993.

27. Charles W. Hull. Method and apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. Assignee 3D Systems Inc. United States patent № 5554336. US CI. 264/401, 10.09.1996.-p. 13-20.

28. Stuart T. Spence. Thomas A. Almquest. Warren Juran. Apparatus and method for calibrating and normalizing a stereolithographic apparatus. Assignee 3D Systems Inc. United States patent № 5495328. US CI. 356/121, 27.02.1996.

29. Трифоиов O.H., Иванов В.И., Трифонова Г.О. Приводы автоматизированного оборудования. -М.: Машиностроение, 1991. 336 с.

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

31. Михайлов-Тепляков В.А. Автоматизированная лазерная резка материалов. -Л.: Машиностроение, 1976. 208 с.

32. Григорьянц А.Г. Соколов А.А. Лазерная техника и технология: Учебн. пос. для втузов в 7 кн. Кн.4: Лазерная обработка неметаллических материалов. — М.: Высш. шк., 1988. 187 с.

33. Самарин Ю.Н. Лазеры в формной технике. М.: Изд-во МПИ, 1989. - 71 с.

34. Булгакова Т.П. Фотохимия. Фотохимические реакции. М., 1985. с. - 17-21.

35. Бондарь А.Ю., Бондарь Ю.В., Кодолов В.И. Технология изготовления деталей методом стереолитографии // Чиркова Е.И., Быстров С.Г.,

36. Бабушкина С.Н. Процессы лазерной фотополимеризации олигомерных смесей. Физико-химические и механические процессы в композитных материалах конструкциях: Сб. тез. докл. научн.-техн. конф. М.: ВНИИМИ, 1996.-с. 5-7.

37. Грищенко В.К., Маслюк А.Ф., Гудзера С.С. Жидкие фотополимеризующиеся композиции. Киев: Наукова думка, 1985. - 208 с.

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

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

40. Светочувствительные полимерные материалы. / Под ред. А.В. Ельцова. Л.: Химия, 1985.-296 с.

41. Иванов B.C. Радиационная химия полимеров: Учеб. пособие для вузов. Л.: Химия, 1988.-320 с.

42. Брегер А.Х. Радиационно-химическая технология, ее задачи и методы. — М.: Атомиздат, 1979. 80 с.

43. Чибисов А.К. Фотохимия светочувствительных систем. М.: Химия, 1991.-е. 15-89.

44. Гиллет Дж. Фотофизика и фотохимия полимеров. Введение в изучение фотопроцессов в макромолекулах. М.: Мир, 1988. с. - 327-346.

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

46. Pappas S.P. Photoinitiators for Radical, Cationic, and Concurrent Radical-Cationic Polymerization. UV Curing: Science and Technology, Vol II, Technology Marketting Corp., Norwalk, 1985.

47. Bettina Steinmann, Jean-Pierre Wolf, Adrian Schulthess, Max Hunziker. (Meth)Acrylates containing urethane groups. Assignee Ciba-Geigy Corp. United States patent № 5495029. US CI. 549/545, 27.02.1996.

48. Bettina Steinmann, Jean-Pierre Wolf, Adrian Schulthess, Max Hunziker. Liquid radiation-curable formulation, in particular for use in stereolithography. Assignee Ciba-Geigy Corp. United States patent № 5461088. US CI. 522/103, 24.10.1995.

49. Stephen C. Lapin, Richard J. Brautigam. Stereolithography using vinyl ether based polymers. Assignee AlliedSignal Inc. United States patent № 5506087. US CI. 264/401,09.04.1996.

50. Stephen C. Lapin, Snyder James Ronald, Sitzmann V. Eugene. Stereolithography using vinyl ether-epoxide polymers. Assignee AlliedSignal Inc. International Publication Number WO 92/20014. Int. Patent CI. G03F 7/027, 12.11.1992.

51. Bettina Steinmann, Jean-Pierre Wolf, Adrian Schulthess, Max Hunziker. (Cyclo)Aliphatic Epoxy Compounds. Assignee Ciba-Geigy Corp. United States patent № 5468886. US CI. 549/549, 21.11.1995.

52. Sitzmann V. Eugene. Russell F. Anderson. Darryl K. Barnes. Increasing the useful range of cationic photoinitiators in stereolithography. Assignee AlliedSignal Inc. United States patent № 5494618. US CI. 264/401, 27.02.1996.

53. Технические спецификации: данные по требованиям безопасности при работе с материалами SL 5149, SL 5154, SL 5170, SL 5180. CIBA-GEIGY Corp. Furane Products. San Fernando Road West, Los Angeles, CA 90039.

54. Фотополимеризующиеся композиции для лазерной стереолитографии (по данным http://www.laser.ru/rapid/kompozition.html). ИПЛИТ РАН, 1999.

55. David L. Winmill, Daniel М. Hoopes, Suresh S. Jayanthi. Dimensional Issues in Stereolithography. Two Penn's Way, New Castle, 1999.

56. Paul F. Jacobs. The Effect of Shrinkage Variations on Rapid Tooling Accuracy presented at the 4th Annual Eugene C. Gwaltney Manufacturing Symposium. RPMI, Georgia Institute of Technology, 1997.

57. Tom Mueller. A Model to Predict Tolerances in Parts Molded in Pattern Based Alternative Tooling presented at the Rapid Prototyping and Manufacturing Conference, 1998.

58. Edward G. Gargiulo, Suresh S. Jayanthi. Current State of Accuracy in Stereolithography presented at the Measurements and Standards Issues in Rapid Prototyping Symposium organized by NIST, 1997.

59. Gargiulo E., Belfiore D. Stereolithography Process Accuracy: User Experience. Proceedings of the Second International Conference on Rapid Prototyping. -Dayton, University of Dayton, 1991. p. 311.

60. Евсеев A.B. Оценка времени изготовления деталей на установках лазерной стереолитографии / Докл. на науч.-практ. симп. "Современные технологии быстрого прототипирования и производства", ОАО "НИИТавтопром", Москва, 1998.

61. Pang Т. Green Strengths of Stereolithography Resins: Phenomenological Green Flexural Modulus Equations I&II. 3D Systems Report, 1992.

62. ГОСТ 14236-81. Пластмассы: метод испытания на растяжение. — М.: Изд-во стандартов, 1981.73 .ГОСТ 9550-81. Пластмассы: методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе. М.: Изд-во стандартов, 1981 - 9 с.

63. Бунин Ж., Сузаки К. Производить точно в срок. Эдисьон Массой, 1987.

64. Time-Compression Technologies / International Buyers Guide. Rapid News Publications pic. TCT House, 1999. 102 p.

65. Скородумов C.B., Кулагин B.B., Кордашенко C.A. Компактное интеллектуальное производство на базе технологий лазерного макетирования. / В Сб. "Лазеры в науке, технике, медицине" . — М.: Изд-во ИРЭРАН, 1994. с. 60-62.

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

67. Свирский Д.Н. Компактные производственные системы как фактор ресурсосбережения / Там же, с. 25-27.

68. Каталог унифицированных блоков форм и нормализованных деталей СП "Тантал-ЕОЦНормалиен". Инженерная фирма "АБ Универсал", 1997.

69. Rapid Prototyping Tooling / МСР Vacuum Casting Resins and Silicone Rubbers Product Data. MCP HEK-GmbH, 1999.

70. The MCP Vacuum Casting Machines / Technical Data. MCP HEK-GmbH, 1998.

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

72. Simmonds R. Electric-arc Metal Spraying with Low-melting Alloys. MCP Systems (Tooling Division), 1995.

73. MCP Metal Part Casting / A New and complete package for Quick Metal Prototypes and Low Runs. MCP HEK-GmbH, 1999.

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

75. Системы автоматизированного проектирования и производства/ Информационный выпуск №5, SOLVER Engineering Company, 1997.

76. Технологический комплекс концептуального моделирования и изготовления быстрой оснастки. МСП Технолоджи. Минск, 2001.