Непосредственное цифровое производство как подход к решению задач макетирования при проектировании горных машин

© A.B. Вальтер, В.М. Орешков, 2012

А.В. Вальтер, В.М. Орешков

НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ ЦИФРОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО КАК ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ МАКЕТИРОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГОРНЫХ МАШИН

Приведены сведения о способах изготовления макетов изделий в процессе проектирования машин. Изложены основные положения концепции непосредственного цифрового производства — современного подхода к макетированию изделий на основе их электронных моделей. Приведены сведения о способах реализации данной концепции посредством послойного синтеза.

Ключевые слова: непосредственное цифровое производство, послойный синтез, макетирование, проектирование машин, формообразование

Современные подходы к проектированию горной техники заключаются в широком применении средств автоматизации инженерной деятельности с целью создания электронной модели изделия (ЭМИ, ГОСТ 2.052-2006), однозначно описывающей геометрию изделия, требования точности и атрибутивные данные. ЭМИ позволяет путем применения математического моделирования оценить функциональные свойства изделий и является основой для разработки технологических процессов изготовления изделия, в том числе и создания управляющих программ для оборудования с ЧПУ. Однако на различных этапах конструкторской и технологической подготовки производства зачастую возникает необходимость в единичных макетах (физических моделях) изделия, необходимых для натурной оценки характеристик проектируемого изделия, создания элементов технологической оснастки и т. п.

Традиционно макеты изделий изготавливаются либо вручную квалифицированными рабочими с применением простых средств механизации труда, либо на станках с ЧПУ. В первом случае на основе ЭМИ создаются твердые копии чертежей изделия, по которым изготавливается макет. При этом точность таких макетов весьма ограничена, а затраты времени очень высоки. При использовании станков с ЧПУ для изготовления макетов может быть достигнута приемлемая производительность, однако требуется разработка управляющих программ, что само по себе является достаточно трудоемкой задачей, а в случае

сложной геометрии изделий и весьма нетривиальной, требующей наличия квалифицированных технологов-программистов. Кроме того, изготовление макетов на станках требует разработки технологических процессов и обеспечения рабочих мест технологической оснасткой. В итоге, с учетом всех этапов подготовки, на изготовление макетов затрачивается большое количество материальных и временных ресурсов.

Альтернативой указанным выше методам макетирования выступают современные способы быстрого прототипирования, реализующие концепцию непосредственного цифрового производства (Direct Digital Manufacturing) [1]. Непосредственное цифровое производство заключается в следующем: изделие изготавливается на основе ЭМИ без прямого участия человека в разработке и реализации технологии изготовления. Идеалом такой концепции является некий программно-аппаратный комплекс, который на входе воспринимает информацию об изделии в цифровом виде, а на выходе выдает готовый образец продукции. При этом роль человека сводится лишь к обслуживанию такого комплекса: ввод данных, загрузка необходимых материалов, извлечение готовых макетов. В настоящее время концепция непосредственного цифрового производства главным образом реализуется посредством различных методов послойного синтеза.

Послойный синтез — это способ аддитивного формообразования, в котором форма изделия создается путем последовательного добавления плоских или цилиндрических слоев материала. Послойный синтез (ПС) характеризуется следующими существенными преимуществами перед традиционными методами макетирования:

1. Изделие формируется непосредственно на основе компьютерной модели, полученной в САПР, минуя этапы технологической и организационной подготовки производства;

2. Геометрия изделия однозначно определяет процесс изготовления, т. е. отсутствует многовариантность, присущая разработке технологических процессов для традиционных методов, и не требуется привлечение квалифицированных специалистов-технологов;

3. Сложность формируемых изделий практически не ограничена.

В целом структура ПС состоит из четырех этапов: подготовка электронной модели изделия, подготовка процесса, формирование изделия, пост-обработка.

В задачах макетирования подготовка электронной модели выполняется в САПР, либо пакетах трехмерного дизайна. Данные, полученные в системах моделирования, как правило, перед передачей их на следующий этап подвергаются пост-процессингу — преобразованию данных из внутреннего формата конкретной САПР в некоторый нейтральный формат данных, воспринимаемый данным программно-аппаратным комплексом послойного синтеза. Существует значительное количество форматов данных, однако наибольшее распространение получил формат STL.

Этап подготовки процесса осуществляется посредством специального программного обеспечения, называемого системами подготовки процесса. Конечной целью данного этапа является формирование управляющей программы для оборудования послойного синтеза. На данном этапе решаются четыре основные задачи: выбор ориентации модели относительно направления формирования слоёв, рассечение модели на слои, моделирование поддерживающих структур и формирования траектории.

Этап формирования изделия, производится при помощи специального оборудования в соответствии с подготовленной управляющей программой. Различают прямые и косвенные способы формирования изделий. Прямые методы предполагают создание на этапе формирования полностью готового изделия, обладающего всей совокупностью требуемых геометрических и физико-механических свойств. Прямое формирование может дополняться лишь незначительными процедурами постобработки, связанными с повышением качества поверхностей изделия и улучшением их внешнего вида: шпатлевание, полирование, грунтование, окрашивание, покрытие и т. п. Косвенные методы предполагают на этапе формирования создание лишь формы изделия. Обеспечение физико-механических свойств, структуры и прочих характеристик выносится на процесс пост-обработки.

Согласно идеологии непосредственного цифрового производства необходимо стремиться к тому, чтобы операция формирования изделия была единственной и окончательной в тех-

нологическом процессе изготовления изделия. Однако часто при послойном синтезе полученные изделия требуют дополнительной обработки. Данный процесс называют постобработкой. Наиболее распространенными видами постобработки являются процессы удаления поддерживающих структур, термообработка, выдержка под излучением, инфильтрация, нанесение покрытий, шпатлевание и механическая обработка.

На сегодняшний день насчитывается более сотни различных методов послойного синтеза. Несмотря на все разнообразие, практическое применение в макетировании нашло сравнительно небольшое количество методов послойного синтеза. Наиболее успешные из них приведены ниже.

Одной из наиболее развитых групп методов послойного синтеза являются методы фотополимеризации. Данная группа методов основана на фотоинициированной УФ-излучением или излучением видимого диапазона полимеризации некоторых композиций, называемых фотополимеризующимися (ФПК). В литературе их чаще называют фоточувствительными полимерами [2] или просто фотополимерами. Некоторые современные фотополимеры по механическим свойствам аналогичны АБС-пластику, поликарбонату, полипропилену, полиэтилену низкого давления и другим конструкционным полимерам. К настоящему времени насчитывается более десятка различных методов послойного синтеза, основанных на фотополимеризации. В макетировании чаще всего используются способы век-торно-сканирующего отверждения, отверждения проецированием и печать с фотохимическим отверждением.

Наибольшее распространение получили способы вектор-но-сканирующего отверждения. Их сущность состоит в послойном отверждении локальных участков фоточувствительного полимера при воздействии на его поверхность излучения, совершающего сканирующие движения, в соответствии с формой текущего сечения модели. Векторно-сканирующее отверждение, осуществляемое посредством лазерного излучения, называют стереолитографией (SLA — StereoLithography Apparatus).

Типичная установка стереолитографии работает следующим образом (рис. 1) [3]. В ёмкости, наполненной жидким фотополимером, находится платформа, способная перемещаться

в вертикальном направлении. При формировании первого слоя платформа поднимается на высоту, при которой расстояние от неё до поверхности составляет величину, достаточную для отверждения слоя. Луч от УФ-лазера посредством скана-тора направляется в требуемую точку на поверхности полимера. Под действием излучения локальный участок полимеризу-ется (отверждается), образуя слой модели. Луч лазера, проходя по заданной траектории, формирует единичный отверждённый слой, соответствующий сечению формируемого изделия. Для отверждения следующего слоя платформа опускается на величину толщины слоя, над поверхностью фотополимера проходит планка, выравнивающая его поверхность. Процесс повторяется, пока не будет получено изделие целиком.

Используемые фотополимеры токсичны и светочувствительны, в связи с чем ёмкость с фотополимером защищают от света, а установку оснащают проточной вентиляцией. После отверждения последнего слоя изделие извлекается и, поскольку в его локальных полостях может оставаться неотвержден-ный фотополимер, помещается под мощные ультрафиолетовые лампы или в печь, после чего материал теряет свою токсичность. В большинстве случаев модели необходимо дополнять поддерживающими структурами [4] с целью предотвращения деформации слоев под собственным весом и расслаивания модели

УФ-лазер

А

Рис. 1. Схема реализации процесса стереолитографии

Рис. 2. Изделие, полученное стереолнтографией, до пост-обработки и после пост-обработки гальванопластикой (справа) [5]

на сложных участках. В дальнейшем поддерживающие структуры удаляются механически. Процесс пост-обработки может также включать полирование модели, окраску, гальванопластику (рис. 2).

В настоящее время все большее распространение получают способы отверждения проецированием, в которых вместо сосредоточенного источника воздействия (лазер) используются УФ-лампы в связке с цифровыми микрозеркальными устройствами, формирующими экспозицию излучения на слой фотополимера. В таких способах все участки слоя подвергаются воздействию одномоментно, что способствует сокращению затрат времени на формирование изделий.

Другой популярной группой методов послойного синтеза являются методы слияния порошковых оснований (СПО). Данные методы характеризуются наличием одного или более источников тепла, обеспечивающих спекание частиц порошка при формировании каждого отдельного слоя модели. В качестве исходного материала могут использоваться полимерные, металлические и керамические порошки.

Известность получили такие методы СПО, как селективное лазерное спекание, электронно-пучковое плавление (Electron Beam Melting), селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting), селективное спекание через маску (Selective Mask Sintering) и ряд других. Наибольшее распространение в задачах макетирования получил способ селективного лазерного спекания (СДС, Selective Laser Sintering — SLS). Метод во многом схож со стереолитографией, однако в качестве исходного

материала используются порошки. Типичная схема СДС-установки приведена на рис. 3. Изделие формируется в емкости на подвижной платформе. Строительный материал (порошок) хранится в картриджах, с перемещением поршней которых порошок подается на стол установки. При создании первого слоя платформа перемещается в положение, при котором расстояние от края емкости до платформы равно толщине слоя. Выравнивающий ролик наносит слой порошка на платформу. После чего луч лазера, проходя по заданной траектории, спекает участки порошка (образует треки), формируя единичный слой изделия. Для формирования следующего слоя платформа опускается, и указанные действия повторяются. Для данного процесса не требуется создание поддерживающих структур, поскольку их роль выполняет неспечённый порошок. В задачах макетирования в качестве материала порошка обычно используют полимеры и сополимеры: ABS, поликарбонат, полиамид и т. п. Возможно использование металлических порошков, однако затраты на изготовление металлических изделий более чем на порядок превышает затраты на выполнение полимерных макетов.

Значительную область применения имеют более экономичные и технически простые способы послойного синтеза — моделирование нанесением расплава и трехмерная печать.

лазер

Рис. 3. Типичная схема СПС-установки

Рис. 4. Схема процесса моделирования нанесением расплава

Схема процесса моделирования нанесением расплава (Fused Deposition Modeling, FDM) приведена на рис. 4. Установка FDM содержит платформу, способную перемешаться в вертикальном направлении, на которой формируются изделия. Над платформой находится каретка, перемешаюшаяся в плоскости XY. Каретка содержит 1-2 экструзионные головки, в которых между подаюшими роликами заправлена нить строительного материала. Нити хранятся на специальных катушках.

Цикл работы FDM-установки состоит в следуюшем. Каретка совершает движения в плоскости XY, обеспечивая переме-шение экструзионной головки в соответствии с формой теку-шего слоя изделия. Одновременно с этим подаюшие ролики перемешают нить, проталкивая её в подогреваюшую камеру. В последней материал нити расплавляется и под воздействием давления со стороны нити экструдируется через насадок на поверхность изделия. Расплав укладывается на поверхность и, застывая, создает слой изделия. В качестве строительного материала используются термопластичные полимеры, технический воск, эластомеры. Далее платформа со слоями опускается и процесс повторяется.

Процесс FDM требует создания поддерживаюших структур. Вторая экструзионная головка может быть использована для нанесения материала поддержки или другого вида строительного материала, например, для получения разноцветных изделий.

В технологии FDM использование поддерживаюших структур является обязательным. Из поддержек формируется осно-

вание, на котором формируется изделие. Также поддержки служат в качестве опоры для нависающих элементов изделия. Поддержки выполняются в виде полос толщиной 0,5 мм с шагом 3,8 мм. В FDM применяют два вида поддерживающих структур: выполненные из строительного материала и выполненные из другого материала.

В первом случае сформированные поддержки удаляются при пост-обработке вручную механическим воздействием (отщелкиваются). Механически удаляемые поддержки ограничивают геометрию получаемых изделий: тонкостенные элементы модели могут разрушиться в процессе удаления поддержек, из некоторых замкнутых полостей поддержки не могут быть удалены механически. Обычно используют отличающиеся друг от друга и имеющие разные цвета, строительный материал и материал поддержек (рис. 5). Разные цвета позволяют контролировать полное удаление поддержек. При этом они могут быть устранены механически, либо растворением. В таком случае используется специальный материал поддержки, способный к растворению в составах на водной основе. В качестве материала растворимых поддержек используются термопластичные акриловые сополимеры. Растворимые поддержки используются для строительных материалов на основе ABS и поликарбоната.

Сущность процесса трехмерной печати (Three-Dimensional Printing, 3DP) заключается в послойном нанесении связующего на порошковую основу (рис. 6) и имеет общие черты с процессом селективного лазерного спекания.

Рис. 5. Поддерживающие структуры в технологии FDM

Рис. 6. Схема процесса трехмерной печати

Рис. 7. Изделие, полученное трехмерной печатью в собранном виде

Рис. 8. Металлические изделия сложной формы, полученные трехмерной печатью

Конкретные механизмы нанесения порошка и связующего, а также их вилы отличаются у различных производителей. Способ обеспечивает достаточно высокую производительность формирования изделий. Важной особенностью процесса ЭЭР

является возможность получения полноцветных объемных изделий путем распыления вместе со связующим красителей (рис.

7). Подобно селективному лазерному спекания в 3DP используется в качестве пост-обработки инфильтрация (пропитка) моделей различными составами. Поддерживающие структуры также не требуются, поскольку их роль исполняет масса несвязанного порошка. Компания «Z Corp.» (США) выпускает ряд установок, в которых используются многодюзовые печатающие головки, наносящие жидкое связующее на порошковый строительный материал. Основой строительного материала выступает гипс с различными добавками. Компания «The Ex One Company, LLC» поставляет технологии, использующие способ трехмерной печати для создания металлических изделий (рис.

8) и керамических изделий литейной оснастки. Процесс изготовления может быть как косвенным, так и прямым.

В целом можно констатировать, что современные технологии послойного синтеза достигли уровня, позволяющего реализовать концепцию непосредственного цифрового производства в области макетирования при проектировании изделий машиностроения. Доля их применения непрерывно возрастает за счет возможности существенного сокращения затрат ресурсов на воплощение идеи конструктора в виде физической модели.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

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

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

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

5. Rapid3D: Our Services/SLA [Electronic resource] // Rapid3D. URL: http://www.rapid3d.co.uk/sla.php (accessed: 25.06.2010). M

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Вальтер Александр Викторович — кандидат технических наук, старший преподаватель, avwalter@rambler.ru, Орешков Владимир Михайлович — студент,

Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета.