Экспериментальное определение деформаций поверхностей литьевых мастер-моделей при послойном синтезе фотополимерного материала

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 621.74

Экспериментальное определение

I V V V

деформации поверхностей литьевых мастер-моделей при послойном синтезе фотополимерного материала

А. А. Шумков, Т. Р. Абляз

Рассмотрена возможность определения деформации поверхности ^-прототипов, изготовленных послойным синтезом фотополимерного материала. В ходе работы смоделированы и получены образцы с монолитной и внутренней регулируемой ячеистой структурой. С помощью трехкоординатной измерительной машины определены осевые перемещения поверхности образцов в разных точках сечения. По данным измерений построены трехмерные графики, отображающие область направления деформации в образце с монолитной и ячеистой структурой. Установлено, что наличие в образце внутренней регулируемой ячеистой структуры определяет изменение направления деформации.

Ключевые слова: ^-прототип, послойный синтез, ячеистая структура, литье по выжигаемым моделям.

Ведение

Основное направление развития литейного производства — повышение качества и точность поверхности отливки. Одним из основных методов, позволяющих получать отливки, по геометрической точности максимально приближенные к готовой детали, не требующей механической обработки, является литье по выжигаемым моделям (ЛВМ) [5]. Наиболее широко в качестве мастер-моделей для ЛВМ используются фотополимерные rp-прототипы [1, 2]. Создание мастер-моделей основано на послойной полимеризации лазерным излучением или другим источником света фотополимерной композиции по трехмерной CAD-модели. Послойное формообразование сопровождается объемной усадкой и короблением поверхности ^-прототипа, что является основной причиной отклонения от требуемых геометрических размеров [4]. Применение фотополимерных ^-прототипов в качестве выжигаемых мастер-моделей зачастую сопровождается растрескиванием керамической оболочки на стадии высокотемпературного удаления модельного материала. Причина —

различие термомеханических свойств формы и удаляемого модельного состава. Одним из путей снижения контактных напряжений является замена монолитной конструкции мастер-модели моделью с внутренней ячеистой регулируемой структурой [6, 9].

Цель работы — экспериментально определить влияние внутренней регулируемой структуры на геометрическую точность поверхности фотополимерной мастер-модели.

Основная часть

Для создания экспериментального опытного образца использована технология стереоли-тографии. Основное отличие от классической стереолитографии является отказ от лазера для инициирования реакции фотополимеризации и замена его несколькими цифровыми видеопроекторами, реализующими технологию Digital Light Processing (DLP) [3, 8]. Схема установки представлена на рис. 1. Суть процесса заключается в использовании «маски» каждого текущего сечения модели, проецируемой на рабочую платформу через специ-

№ 3(87)/2015

Рис. 1. Стереолитографическая машина с применением технологии DLP:

1 — проектор; 2 — фотомаска; 3 — механизм выравнивания полимера; 4 — ванна с жидким полимером; 5 — опускаемое основание; 6 — модель из отвержденного полимера

альную систему зеркал очень малого размера с помощью прожектора (содержащего две лампы с высокой яркостью света) [7]. Платформа после засветки слоя опускается ровно на толщину следующего слоя в ванну с жидким полимером. Формирование и засветка видимым светом каждого слоя происходит относительно быстро. Этим объясняется высокая скорость построения моделей — в среднем 1 см в час по высоте при шаге построения 50 мкм.

Для создания опытных образцов использована установка Perfactory XEDE компании Envisiontec (Германия). Исходный материал для создания прототипов — сшитый фотополимер Envisiontec SI500.

В результате работы смоделированы два образца — цилиндры высотой к = 30 мм и диаметром й = 30 мм. Первый образец представляет собой монолитную структуру (рис. 2, а), второй образец представляет оболочку толщиной 0,5 мм с внутренней регулируемой структурой (рис. 2, б).

Внутренний объем образца заполнен массивом из элементарных единичных ячеек Виг-нера—Зейтца с толщиной перемычки 0,5 мм.

Образцы получены послойным синтезом фотополимерного материала. Режимы послойного синтеза приведены в таблице.

Экспериментальное измерение деформаций монолитного цилиндра и цилиндра с ячеи-

стым наполнителем после послойного синтеза проведено на трехкоординатной измерительной машине Contura G2 Aktiv. Перед измерением образцы промыли в спирте для удаления остатков фотополимерного материала, затем установили перпендикулярно к плоскости стола. С помощью активной сканирующей головки машины измеряли перемещения относительно сечения вертикальной поверхности цилиндра. Данные для обработки измерений представляют набор точек трех координат x, y, z. Координата z обозначает перемещение сканирующего щупа по вертикальной оси сечения цилиндра, координата x — перемещение по горизонтальной оси вертикальной плоскости цилиндра, которая показывает отклонение от базовой плоскости, координата y является вспомогательной плоскостью данного измерения и практически не изменяется.

Обработка данных заключалась в построении объемного графика поверхности, показывающего осевые перемещения боковых поверхностей монолитного и ячеистого образцов, представленных на рис. 3 и 4 соответственно.

При измерении и обработке данных монолитного образца № 1 установили, что в монолитной структуре возникают деформации рас-

Режимы послойного синтеза

Образец Толщина слоя, мкм Толщина поддержек, мкм Время засветки сечений прототипа, мс Время засветки поддержек, мс

1 50 500 20 000 72 000

2 50 250 13 000 40 000

№ 3 (87)/2015

ббИ

МЕТАЛЛ00 БРАЪОТКА

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

тяжения, обусловленные наличием внутренних напряжений. Деформационные процессы характеризуются механизмами полимеризации и последующей усадкой фотополимерного материала. С помощью сбора точек отклонения от базовой вертикальной поверхности можно отследить осевые перемещения на боковых поверхностях монолитного цилиндра, которые представлены выпуклой областью на трехмерном графике поверхности монолитного цилиндра (рис. 3).

Обработка данных измерений цилиндра с внутренней регулируемой ячеистой структурой показала наличие деформаций сжатия (рис. 4). Боковая поверхность образца № 2, представляет собой вогнутую поверхность, что обусловлено наличием внутренней структуры (рис. 4).

Фотополимерные прототипы используются для получения сложных геометрических отливок по технологии литья по выжигаемым моделям. Применение метода внесения отклонений в компьютерную модель на этапе проектирования и изготовления мастер-модели послойным синтезем позволит снизить эффекты коробления прототипа, тем самым повысить точность геометрических размеров готовой отливки без дополнительной механической обработки.

Экспериментально определенные отклонения поверхности прототипа представляют собой разброс отклонений размеров от 0,1 до 0,3 мм. Внесение коррекции в компьютерную

Рис. 3. Объемный график боковой поверхности цилиндрического монолитного образца № 1

Рис. 4. Объемный график боковой поверхности цилиндрического образца № 2 с внутренней ячеистой структурой

модель с помощью создания облака точек отклонений позволит снизить расброс размеров на всей поверхности прототипа и приравнять к 0,1 мм, тем самым спрогнозировать коробление формы мастер-модели.

Выводы

Экспериментально определено появление деформаций поверхности в монолитной и ячеистой структурах цилиндрических образцов, изготовленных послойным синтезом фотополимерного материала. Измерения показывают возможность определения осевых перемещений боковых поверхностей. Анализ трехмерных графических изображений показывает, что использование оболочки, заполненной внутренней регулируемой структурой в виде ячеек Вигнера—Зейтца, изменяет направление деформации поверхности в противоположную сторону. Компенсация отклонений в исходной 3Б-модели позволит снизить коробление боковой поверхности гр-прототипа и, следовательно, повысить точность геометрических размеров мастер-модели.

Литература

1. Витязь П. А., Ильющенко А. Ф., Хейфец М. Л.

Оперативные макетирование и производство изделий сложной формы из композиционных материалов // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2011. № 2. С. 3—8.

И56

№ 3 (87)/2015

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

2. Оперативное формирование трехмерных объектов методом лазерной стереолитографии / А. В. Евсеев, С. В. Камаев, Е. В. Коцюба, М. А. Марков [и др.] // Сб. тр. ИПЛИТ РАН. Современные лазерно-информацион-ные и лазерные технологии. М.: Интерконтакт Наука, 2005. С.26-39.

3. Зленко М. Технологии быстрого прототипирова-ния — послойный синтез физической копии на основе 3Б-СЛБ-модели // CAD/CAM/CAE Observer. 2003. № 2 (11). С. 2-9.

4. Морозов В. В. Исследование и разработка технологических режимов изготовления отливок по выжигаемым моделям, полученных методом лазерной стереоли-тографии: дис. ... канд. техн. наук. М., 2005. С. 9-10.

5. Сапченко И. Г. Теория и практика формирования пористых структур в литье по выплавляемым моделям;

автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Комсомольск-на-Амуре, 2011.

6. Gu X. J., Zhu J. H., Zhang W. H. The Lattice Structure Configuration Design for Stereolithography Investment Casting Pattern Using Topology Optimization // Rapid Prototyping Journ. 2012. Vol. 18, is. 5. Р. 2.

7. Huang Y. M., Jiang C. P. Numerical analysis of a mask type stereolithography process using a dynamic finite-element method // Int. Jurn. Adv. Manuf. Technol. 2003. N 21. P. 649-655.

8. Jacobs P. F. Stereolithography and Other RP&M Technologies. Dearborn, MI: Society of Manufacturing Engineers, 1995. P. 451.

9. Yang, S., Mohebi, M. M., Evans, J. R. G. A novel lattice structure for SL investment casting patterns // Rapid Prototyping Journ. 2009. N 15 (4). P. 255-263.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

В. К. Свешников. Станочные гидроприводы: Справочник. — 6-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2015. — 627 с.: ил. ISBN 978-5-7325-1057-7 Цена: 550 руб.

Книга продается только в электронном виде!

Рассматривается информация, необходимая для проектирования и эксплуатации гидрооборудования. Приведены конструкции, параметры и размеры гидрооборудования главным образом стационарных машин, в том числе насосов, объемных гидродвигателей, гидроаппаратов, фильтров, аккумуляторов, теплообменников, приборов и сопутствующих элементов. Излагаются основы проектирования и расчета гидросистем, их монтажа и эксплуатации, тенденции развития гидрооборудования мировых лидеров, а также основополагающие отечественные стандарты и стандарты ИСО; приведены характеристики минеральных масел, размеры специальных резьб, путеводитель по Интернету.

В 6-м издании (5-е изд. 2008 г.) существенно расширены сведения об импортной гидравлике, в том числе инновационных изделиях, отсутствующих в отечественной номенклатуре. По каждому из компонентов приведены полные технические данные аналогов, выпускаемых зарубежными фирмами, признанными на российском рынке, включая основные параметры, габаритные и присоединительные размеры, расшифровки кодовых обозначений и особенности эксплуатации. Подробно описаны современные насосы и гидродвигатели, аппаратура ввертного монтажа, аппараты связи с электронными системами управления, приборы и др. Особое внимание уделено проблеме энергосбережения. В справочнике отражен современный мировой уровень развития промышленных гидроприводов.

Для инженеров-конструкторов, специалистов в области гидроприводов и обслуживающего персонала гидрооборудования стационарных машин и станков, преподавателей и студентов втузов.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 312-57-68, тел./факсу: (812) 312-44-95, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.

№ 3(87)/2015