Интегрированные технологии проектирования изделий из полимерных композиционных материалов

ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 65.011.56

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Е.И. Яблочников, С.Д. Васильков, Ю.Н. Фомина

Обоснована необходимость создания информационно-телекоммуникационной платформы для решения задач по выбору и проектированию новых полимерных композиционных материалов в сфере приборостроения. Определены программные системы для проектирования новых материалов и структурного анализа изделий с учетом технологий их изготовления. Представлена функциональная схема комплексного решения задачи. В качестве базовой технологии изготовления изделий рассматривается инжекционное литье. Определены требования к информационному обеспечению информационно-телекоммуникационной платформы с учетом использования базы данных материалов, как пользователями, так и программными системами.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, информационно-телекоммуникационные системы, САЕ-системы, автоматизация процессов проектирования изделия, база данных материалов.

Введение

Одной из тенденций развития промышленного производства является все более активное использование полимерных композиционных материалов (ПКМ). Исследования в области разработки и применения ПКМ проводятся в авиационной, космической, автомобильной, судостроительной и других отраслях. При разработке изделий приборостроения в центре внимания, наряду с их конструктивными особенностями, также всегда находится исходный материал, который должен подвергаться обработке с использованием определенных технологий и с обеспечением заданных параметров изготавливаемого изделия. Например, в работе [1] приведены результаты исследования интегрированных процессов проектирования и производства оптических изделий с применением ПКМ. Характерной особенностью проектирования изделий из ПКМ является параллельное принятие решений как о применяемых материалах, так и о конструктивных параметрах изделий, и при этом необходимо учитывать технологии их изготовления. В связи с этим требуется создание интегрированной автоматизированной системы, включающей как отдельные системы проектирования и производства изделий из ПКМ, так и актуальную базу данных ПКМ. Исходя из проведенного анализа научно-технического развития в области разработки и использования ПКМ, задача разработки комплекса базовых технологических решений для создания нового поколения приборов, а также новых подходов к моделированию технологических процессов и проектированию изделий с применением ПКМ является весьма актуальной.

Создание информационно-телекоммуникационной платформы

Одним из основных подходов, обеспечивающих выполнение поставленных задач, является переход к компьютерному автоматизированному проектированию материалов, когда становится возможным использовать сложные модели ПКМ, учитывать физические, химические характеристики, особенности и требования процессов производства, а также возможное поведение материала при эксплуатации изделий из ПКМ. Проведенный анализ позволил установить, что при имеющемся многообразии направлений разработки новых ПКМ существует слабая связь разработчиков материалов с проектантами новых приборов. Моделирование материалов невозможно осуществлять без понимания областей их применения и прогнозирования перспектив использования в конкретных изделиях или функциональных системах.

Следует также отметить, что в нашей стране практически не используются системы автоматизированного проектирования ПКМ, а такие системы в настоящее время становятся базовыми в ведущих исследовательских центрах [2]. Низкий уровень автоматизации в этой сфере приводит к более трудоемкому и длительному процессу проектирования ПКМ и изделий их них. Однако, в то же время, отечественные предприятия активно используют САЕ-системы для инженерного анализа и оптимизации параметров изделий, что можно считать хорошей предпосылкой для последующего распространения систем автоматизированного проектирования ПКМ.

Таким образом, необходимо создание интегрированной среды (информационно-телекоммуникационной платформы (ИТП)) для постоянного информационного взаимодействия между организациями-разработчиками и потребителями ПКМ, для доступа к общим программным и информационным ресурсам, для эффективного использования вычислительных мощностей, необходимых при выполнении такого рода задач.

Определены приоритеты, соответствующие мировым тенденциям в области развития систем моделирования жизненного цикла материалов [3]:

10

- создание интегрированной системы моделирования как распределенной виртуальной среды;

- акцент на создание и встраивание различных прикладных программ и библиотек, которые применяются для широкого спектра моделирования новых ПКМ;

- интеграция с системой прогнозирования применения новых материалов в конечных изделиях и приборах на начальном этапе формирования системы;

- обеспечение интеграции комплекса программных продуктов, поддерживающих методологию PLM (Product Lifecycle Management - управление жизненным циклом изделия);

- использование технологии облачных web-сервисов для доступа к ресурсам ИТП;

- формирование новых образовательных программ, ориентированных на разработчиков и пользователей информационных технологий в этой сфере.

Важно отметить, что многообразие ПКМ по составу и свойствам привело на практике к созданию многих локальных баз данных, а сложности формирования материалов и разработки технологий их изготовления (в контексте проектирования конкретных изделий) привели к созданию многочисленных программ моделирования на базе математических моделей. Это позволяет индивидуализировать и оптимизировать процессы создания новых ПКМ в рамках создания ИТП.

Авторский коллектив имеет опыт проведения исследований и разработки автоматизированных систем в данном направлении. В Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики создана интегрированная распределенная система проектирования, прототипирования и подготовки производства изделий на базе PDM-системы ENOVIA SmarTeam [4]. Разработка выполнена в интересах предприятий полимерного кластера Санкт-Петербурга. Система поддерживает основные бизнес-процессы центра прототипирования (структурное подразделение полимерного кластера), связанные с проектированием изделий из полимерных материалов, производством их образцов, подготовкой опытной и промышленной серий. Промышленное производство изделий из полимерных материалов производится предприятиями кластера на термопластавтоматах, что требует расчета и проектирования отливок, пресс-форм и глубокого понимания процессов литья. Потенциал развития полимерного кластера - в использовании специализированных систем моделирования литейных процессов, в том числе и особенностей литья ПКМ, а также инженерного анализа изделий из ПКМ.

Программные системы для проектирования новых ПКМ

Для разработки новых ПКМ требуются новые технологии моделирования материалов, анализа состава и свойств, формирования различных вариантов реализации ПКМ и выбора наиболее подходящего с учетом требований. На основании проведенного анализа для создания экспериментального образца ИТП были выбраны следующие системы: Moldex3D (компания CoreTech System, http://www.moldex3d.com), Samcef (компания Samtech, http://www.samtech.com) и Digimat (компания e-Xstream engineering, http://www.e-xstream.com).

Основными критериями для выбора систем являлись следующие:

- область применения (возможность применения программного обеспечения для различных видов анализа материалов и изделий из ПКМ);

- типы материалов, для которых может применяться рассматриваемое программное обеспечение, возможность учета состава и микроструктуры материала;

- возможность решения многодисциплинарных задач, позволяющих анализировать характеристики конструкций с учетом одновременно механического, теплового, электромагнитного, виброакустического и других полей;

- возможность анализа технологических процессов при различных видах литья изделий на термопла-ставтоматах;

- наличие информационных интерфейсов для построения интегрированных процессов (технология -материал - конструкция);

- коммерциализация программного обеспечения (возможность распространения на коммерческой или другой основе).

Кратко охарактеризовать системы можно следующим образом.

- Система Digimat - программный комплекс для многоуровневого нелинейного моделирования материалов. Позволяет осуществлять разработки многокомпонентных материалов, в том числе ПКМ. На сегодняшний день это базовая система для проектирования композиционных материалов во многих передовых промышленных компаниях.

- Система Samcef - САЕ-система, предназначенная для инженерного анализа и виртуального моделирования изделий на основе конечно-элементного анализа. С использованием данной системы проводится инженерный анализ изделий, создаваемых из композиционных материалов. Важным достоинством в контексте данной работы является то, что компания Samtech представляет специальные подсистемы для проведения многостороннего моделирования различных классов приборов.

- Система МоШехЗБ предназначена для моделирования литья пластмасс под давлением и позволяет моделировать процессы заливки пресс-формы, выдержки под давлением, охлаждения детали, усадки и коробления, имеет специальный модуль для моделирования процессов изготовления деталей методом инжекционного литья из полимерных композиционных материалов (модуль eDesign-Fiber), а также интерфейсы со всеми основными САЕ-системами.

Следует отметить, что в зависимости от типа изделий и технологий изготовления, наличия систем и опыта использования у разработчиков отдельные компоненты могут быть заменены на другие известные и широко применяемые на практике системы.

В целом представленная совокупность систем позволяет построить интегрированную среду для решения задач по проектированию изделий из новых ПКМ с учетом анализа конструкций изделий и технологий изготовления. Указанные системы имеют интерфейсы для обмена данными, могут работать на единой аппаратной платформе. При этом в нашей стране по всем указанным системам обеспечивается как поддержка пользователей систем со стороны российских компаний-представителей, так и подготовка специалистов в технических университетах.

Функциональная схема выбора и проектирования ПКМ предусматривает решение следующих основных задач (рисунок):

- автоматизация сбора и классификация требований к приборам и материалам, создание базы данных для хранения, поиска, идентификации ПКМ и их компонентов, формирование единой среды для поддержки процессов разработки новых ПКМ и изделий на их основе с обеспечением безопасного обмена математическими моделями материалов между поставщиками и потребителями (ПС1). Здесь и далее ПС означает подсистемы;

- расчет усредненных механических, тепловых, электрических и других характеристик многофазных и многокомпонентных ПКМ в зависимости от характеристик компонентов, в том числе связующего и армирующих материалов, функциональных включений, микроструктурной морфологии ПКМ; выполнение процессов реверс-инжиниринга материалов (ПС2);

- детальное исследование поведения ПКМ в реальных условиях эксплуатации с учетом его микро- и макроструктуры с применением технологий конечно-элементного анализа (ПСЗ);

- автоматизация процессов комплексного анализа характеристик изделий, выполненных на основе новых ПКМ, с учетом влияния параметров и режимов технологического процесса изготовления изделий (ПС4).

Рисунок. Схема разработки ПКМ

Решение указанных задач позволяет реализовать трехуровневую методику выбора материала:

- уровень 1 - поиск материала, отвечающего требованиям к изделию, в созданной базе данных материалов с применением ПС1;

- уровень 2 - предварительный выбор состава и микро-, макроструктуры ПКМ на основе компонентов, представленных в базе данных, и уточнение его характеристик в ПС2 (на данном этапе применяются аналитические методы расчета характеристик ПКМ, что позволяет существенно ускорить процесс выбора наиболее оптимального состава и характеристик микро- и макроструктуры ПКМ);

- уровень 3 - детальное исследование поведения ПКМ и его характеристик с применением технологий конечно-элементного анализа в ПС3. На этом уровне используются предварительно выбранный на предыдущем уровне состав и характеристики микро- и макроструктуры ПКМ.

В качестве примера приведем последовательность шагов, которые необходимо выполнить при проектировании корпуса прибора из термопластов, армированных короткими углеродными волокнами.

1. Осуществляется поиск материала, соответствующий требованиям к изделию. При отсутствии в базе данных материала определяются структура и характеристики нового материала в системе

2. Создается трехмерная модель изделия и литниковая система, устанавливаются давление, температура, определяются свойства смолы (вязкость, сжимаемость, удельная теплоемкость, температуропроводность) и волокна (доля объема или массы, соотношение сторон, удельная теплоемкость, температуропроводность, эластичность) [5], строится конечно-элементная сетка.

3. Моделируется процесс литья в системе МоИехЗБ, что позволяет получить набор ориентационных тензоров в соответствии с конечно-элементной сеткой.

4. Сопоставляются конечно-элементная сетка, полученная после анализа процесса литья, и сетка, построенная для структурного анализа с помощью системы Digimat.

5. Моделируются нагрузки на изделие с учетом свойств структуры материала (ориентационные тензоры) с помощью системы 8атее:1\

Таким образом, предлагаемая концепция создания нового ПКМ не ограничивается его выбором на основе анализа свойств материалов из созданной базы данных, а предполагает его моделирование на различных уровнях с прогнозированием областей применения данного материала, что позволяет проследить полный цикл создания и использования данного материала в конечном продукте.

Рассмотренная схема решения задачи определяет также ряд общих требований к информационному обеспечению системы:

- возможность хранения разнородных данных, представленных в текстовой, табличной, графической формах и описывающих с требуемой степенью полноты информацию о материалах, изделиях, технологиях, производителях и потребителях;

- наличие эргономичного интерфейса для всех пользователей системы;

- обеспечение быстрого и удобного поиска информации по разным критериям;

- доступность информации и сервисов интегрированной системы через Интернет;

- обеспечение аутентификации пользователей и защиты информации.

В соответствии с этим разработка информационного обеспечения и выбор соответствующих программно-аппаратных средств является одной из ключевых задач как с точки зрения технической реализации, так и с позиций дальнейшего коммерческого использования продукта.

В настоящее время существуют достаточно большое количество коммерческих систем для поиска полимерных материалов. Однако эти решения предоставляют возможность лишь для хранения и поиска информации, а рассматриваемая постановка задачи предполагает интеграцию поисковых систем в среду разработки новых материалов и изделий. База данных ПКМ должна содержать не только те характеристики ПКМ, которые интересны потребителю материалов, но и дополнительные данные, которые необходимы для проектирования ПКМ, расчета и анализа конструкций и технологий в приведенных выше специализированных САЕ-системах.

Заключение

Ключевым современным трендом в разработке материалов является переход от эмпирических подходов к компьютерному моделированию материалов, при котором используются сложные математические модели материалов, учитываются особенности и требования процессов производства, возможное поведение материала и конструкций при эксплуатации и утилизации. Анализ задач, решаемых при автоматизированном проектировании новых ПКМ, позволил определить состав и структуру программного обеспечения, а также требования к созданию информационного обеспечения межотраслевой информационно-телекоммуникационной платформы. Реализация такой платформы позволит интегрировать специалистов различных дисциплин (конструкторов, материаловедов, технологов) при выполнении НИОКР, связанных с исследованиями и разработкой изделий с применением новых полимерных композиционных материалов.

В.А. Валетов, В.В. Медунецкий

Исследования проводились в области информационно-телекоммуникационных систем для решения задач технологической платформы «Новые полимерные композиционные материалы и технологии» по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации (государственный контракт № 07.514.12.4015 на выполнение научно-исследовательских работ от 06.10.2011).

Литература

1. Тинель П., Люк А., Милич И. и др. Игра со светом // Полимерные материалы. - 2011. - № 9. - С. 10-19.

2. Maréchal E. SAMCEF/Digimat based Numerical simulation of short fibers reinforced thermoplastics in aircraft engine applications // 12th SAMTECH conference. - Belgium, 2011. - Р. 2-23.

3. Jovanovic A., etc. Roadmap of the European Technology Platform for Advanced Engineering Materials and Technologies // EuMaT Members Version 27. - 2006. - P. 147.

4. Зильбербург Л.И., Молочник В.И., Яблочников Е.И. Информационные технологии в проектировании и производстве. - СПб: Политехника, 2008. - 304 с.

5. Каллистер У.Д., Ретвич Д.Дж. Материаловедение: от технологии к применению (металлы, керамика, полимеры) / Под ред. А.Я. Малкина. - СПб: Научные основы и технологии, 2011. - 896 с.

Яблочников Евгений Иванович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой, eugeny@bee-pitron.spb.su Васильков Сергей Дмитриевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, vasilkovsd@mail.ru Фомина Юлия Николаевна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ин-

формационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, yuli-fomina@yandex.ru

УДК 621.81.004.17

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ НА ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОМ ОБОРУДОВАНИИ В.А. Валетов, В.В. Медунецкий

Обоснована целесообразность применения электроэрозионного оборудования для упрощения технологии изготовления поверхностей, обеспечения высокой производительности и заданного качества поверхности. Приведены результаты экспериментов, показывающих несостоятельность параметрического подхода к оценке шероховатости поверхностей, полученных на электроэрозионном оборудовании. Установлено влияние шероховатости поверхности электрода-инструмента на время электроэрозионной обработки.

Ключевые слова: шероховатость поверхности, электроэрозионные процессы, электроэрозионное оборудование, непараметрические критерии оценки шероховатости поверхности.

Введение

Современные предприятия, в том числе и приборостроительного профиля, ориентированные на серийный выпуск своей продукции, неизбежно сталкиваются с проблемой изготовления формообразующей оснастки. В условиях рыночной конкуренции преимущество получает прибор, обладающий лучшей эргономикой и дизайном при прочих равных технических параметрах, что нередко приводит к значительному усложнению геометрии формы, а также к высоким требованиям к микрогеометрии поверхности. В этой связи получает распространение электроэрозионное оборудование, на котором изготовляется формообразующая оснастка (матрицы, пуансоны, штампы). Методы электроэрозионной обработки известны достаточно давно [1]. Одной из основных характеристик электроэрозионного процесса является шероховатость обработанных поверхностей, которой в научной литературе не уделяется должного внимания. В качестве основного критерия оценки шероховатости поверхности выступает параметр Яа, однако в 80-е г.г. ХХ в. один из авторов настоящей работы доказал несостоятельность параметрического подхода и предложил новый, так называемый непараметрический подход [2]. Ниже предлагается рассмотреть подходы оценки шероховатости поверхности деталей при электроэрозионной обработке с использованием прошивных станков.

Физические основы электроэрозионного процесса

Возможность проведения электроэрозионной обработки в нормальных условиях обусловлена минимальной электропроводностью материалов - заготовки и инструмента. Удаление материала производится в рабочей жидкости с помощью разделенных друг от друга во времени и в пространстве электрических разрядов между электродом и заготовкой. Удаление материала становится возможным тогда, когда оба электрода приближаются друг к другу на расстояние, при котором происходит искровой разряд. При этом электрическая энергия преобразуется в тепловую. В канале разряда под действием высоких