Технологии быстрого изготовления трехмерных объектов (прототипирование)

В настоящее время на различных стадиях проектирования и производства новых изделий начинают широко применяться методы формирования трехмерных объектов непосредственно на основе их компьютерных моделей, которые называются технологиями быстрого прототипирования (Rapid Prototyping, RP-технологии) или настольного производства (Desktop Manufacturing) [1].

Для реализации систем быстрого прототипирования используется трехмерное оптическое измерение геометрических параметров объекта.

Трёхмерные оптические системы применяются для быстрой оцифровки бесконтактным методом с высоким разрешением различных объектов. Программное обеспечение GEOMAGIC применяется для получения отчёта по сравнению детали, подвергнутой быстрой оцифровке, с компьютерной моделью на данную деталь.

Объектами оцифровки могут быть модели, заготовки, пресс-формы, лопатки, крупногабаритные объекты (например, диффузоры и моноколёса) и т.д.

 

 

 

Рис. 10.8. Внешний вид оптической системы оцифровки ATOS II SO (анализируются геометрические параметры моноколеса)

С помощью оптической системы оцифровки ATOS II (рис.10.8) и программного обеспечения GEOMAGIC возможно решение различных задач:

- сравнение реального объекта с компьютерной моделью, чертежами или образцом;

- создание компьютерных моделей для станков с ЧПУ и для систем быстрого прототипирования;

- сравнение детали с компьютерной моделью с высокой точностью (от 3 микрон до 50 микрон – в зависимости от размеров детали);

- получение детального протокола отклонений детали в определённых сечениях (рис.10.9).

 

 

 

Рис. 10.9. Геометрический облик лопаток моноколеса с указанием отклонений по профилю пера

 

Оптическая система оцифровки ATOS II обладает следующими параметрами:

- измерительный объем от 46×35×35 мм до 175×140×140 мм;

- расстояние до измеряемого объекта 300 мм;

- разрешающая способность камеры 1280×1024 pixel 12 bit (digital);

- время измерения на один снимок около 90 с;

- расстояние между измеряемыми точками 0,03 – 0,15 мм;

- шум при измерениях 0,001 – 0,01 мм;

- результаты оцифровки представляются в виде: облако точек (ASCII), сечения и линии (VDA / IGES), полигональная сетка (STL).

Полученные таким образом объекты могут использоваться:

- при конструировании сложных изделий, для создания их макетов;

- в качестве формообразующей оснастки для различных видов точного литья, в том числе выплавляемых моделей;

- как мастер-модели при изготовлении электродов-инструментов для электроэрозионной и электрохимической обработки;

- при выполнении исследовательских работ для визуализации газо- и гидродинамических потоков внутри прозрачных моделей, изучения аэродинамических свойств, оптимизации геометрии деталей проточной части и др.;

- для изготовления единичных деталей из пластиков, керамик и других материалов.

Появившиеся в середине восьмидесятых годов ХХ века системы быстрого изготовления прототипов явились логическим продолжением трехмерных систем компьютерного дизайна. Они стали адекватными устройствами вывода – своего рода трехмерными принтерами. Получив цифровое описание трехмерной CAD – модели на входе, устройство быстрого изготовления прототипов генерирует на выходе твердую объемную модель. Данный процесс полностью автоматизирован; участие оператора обычно сводится к заправке машины расходными материалами и извлечению готовых моделей. При этом никакая настройка оборудования при переходе от одной модели к другой не требуется.

Прототип в данном контексте – это первый опытный и почти всегда единичный (и в этом смысле уникальный) экземпляр, задача которого быстро и достоверно ответить на принципиально важные для конструктора вопросы: соответствует ли реальный дизайн детали (изделия) задуманному; верно ли определены взаимосвязи с окружающими деталями; выполняет ли деталь те функции, которые возложил на нее конструктор, и если выполняет, то как, а если нет, то почему; соответствует ли конструкция детали технологическим возможностям серийного производства и т.д. Достаточно сказать, что для изготовления традиционными методами опытных образцов таких деталей, как, например, диффузор реактивного двигателя, требуется 8 – 10 месяцев (литье + механическая обработка), а с использованием технологий быстрого прототипирования этот срок сокращается до 1 – 1,5 месяцев. Технологии быстрого прототипирования позволяют получить литейные модели деталей в течение нескольких часов или дней (для сложных габаритных отливок) без создания специальной технологической литейной оснастки. Образно говоря, модель «выращивается» в специальных установках, реализующих принцип послойного синтеза. Все без исключения RP-технологии основаны на принципе послойного воспроизведения. Стандартным форматом входной информации для основных RP-систем является STL (Standard Triangular Language) - язык, на котором все поверхности трехмерной модели заменяются совокупностями треугольных граней. Аккуратность такой замены для изогнутых поверхностей зависит от числа заменяющих их треугольников. Все современные коммерческие CAD-системы позволяют экспортировать модели в STL – формат с регулируемой точностью.

Программная часть RP - системы «разрезает» трехмерную STL – модель на слои одинаковой толщины (для большинства систем эта толщина лежит в районе 0,1 мм). Таким образом, трехмерный объект заменяется на совокупность плоских слоев. При этом единственным ограничением точности такого воспроизведения является толщина слоя, - чем она меньше, тем выше разрешение системы. При изготовлении «твердой копии» строительный процесс идет снизу вверх: к детали последовательно добавляется слой за слоем. Первый слой формируется на поверхности специальной платформы, последующие слои – на поверхностях предыдущих. Если геометрия изготавливаемой модели такова, что пятно предыдущего слоя не полностью перекрывает пятно последующего (материал как бы «повисает» в воздухе), то возникает потребность в формировании специальной поддерживающей структуры, или суппорта. В различных реализациях принципа послойного воспроизведения поддерживающие элементы выполняются либо из того же материала, что и сама модель (при этом они создаются в виде тонких легко удаляемых сегментов), либо из вспомогательного, менее прочного материала.

Развивается несколько направлений послойного изготовления трехмерных объектов, основанных:

- на световой и лазерной стереолитографии;

- лазерной резке тонких листов из различных материалов (LOM-процесс);

- выборочном лазерном спекании порошковых материалов;

- послойном наложении разогретой полимерной нити;

- струйном напылении (объемной печати) и др.

Лазерная стереолитография (ЛС) запатентована в 1986 г. и в настоящее время является одним из наиболее распространенных способов быстрого прототипирования. При ЛС спроектированный на компьютере трехмерный объект выращивается из жидкой фотополимеризующейся композиции (ФПК) последовательными тонкими (0,05 … 0,2 мм) слоями, формируемыми под действием сканирующего лазерного луча. Для этих целей используется He-Cd- или Ar-ионные лазеры, работающие в области ультрафиолетового излучения с длиной волны 320 … 370 нм и мощностью 50 … 200 мВт.

Методом ЛС получают сложные модели, достоинствами которых являются высокая точность, прочность, прозрачность, влагостойкость, легкость обработки поверхности, возможность склейки и т.д.

Схема установки для ЛС представлена на рис.10.10. Процесс фотополимеризации проводят в ванне с жидким полимером 1 (обычно эпоксидными или акриловой смолами). Выращивание модели 3 выполняется послойно на платформе 2. По мере наращивания слоев платформа 2 опускается с помощью подъемного механизма 4. Полимеризация происходит при воздействии луча маломощного ультрафиолетового лазера 5. Сфокусированный на поверхности жидкости луч перемещается по заданной траектории за счет программируемого поворота системы отражающих зеркал 7.

 

 

Рис. 10.10. Схема установки для лазерной стереолитографии:

1 – ванна с фотополимером; 2 – платформа; 3 – полученная объемная модель детали; 4 – подъемный механизм; 5 – HeCd- лазер; 6 – линзы;

7 – система зеркал; 8 – HeNe-лазер; 9 – датчик уровня жидкости;

10 – нивелир; 11 – цилиндр

 

После того как слой получен, платформа дискретно опускается и нивелир 10, перемещаясь по поверхности вязкой жидкости, выравнивает ее. Качество синтезируемого объекта зависит от толщины слоя жидкого полимера над изделием. В процессе полимеризации объем материала изменяется, что может привести к колебаниям уровня жидкости. Кроме того, недопустимы волны на поверхности ванны. Лазерная фотополимеризация начинается только после того, как установлена заданная толщина слоя жидкости и прекратились ее волнения, контролируемые лазерным устройством 8, 9. Коррекция уровня жидкости выполняется опусканием или подъемом цилиндра 11.

Для ЛС, как и для других способов быстрого прототипирования, основанных на процессах послойного синтеза, используются математические модели в формате STL. В его основе лежит метод трехмерной триангуляции поверхности модели. Трехмерная триангуляция осуществляется треугольниками и может быть сглажена геометрическими фигурами более высокого порядка, за счет чего повышается точность синтезируемой поверхности. Использование триангуляции позволяет упростить расчет координат точек контуров сечений объекта.

Процесс создания объекта полностью автоматизирован и включает ряд этапов.

На первом этапе выполняется преобразование математической модели объекта в формат STL и изменение модели с целью создания поддержек (внутренних или внешних перегородок). Для этого используются специальные программы, например Solid Concepts.

Поддержки позволяют повысить жесткость изделия в процессе его формирования, а следовательно, точность получаемого объекта, создать сложные детали из нескольких частей, обеспечить прочность.

Внешние поддержки удаляются на стадии отделочной обработки объекта.

Технологии ЛС реализуются на серийно выпускаемых установках и дают возможность в кратчайшие сроки (от нескольких часов до нескольких дней) пройти путь от конструкторской или дизайнерской идеи до готовой модели или детали.

В нашей стране разработан лазерный стереолитограф ЛС-250 (рис. 10.11), имеющий следующие основные характеристики: максимальные размеры изготавливаемых объектов 250´250´250 мм; точность изготовления ±0,1 мм; шероховатость поверхности без какой-либо обработки не превышает 100 мкм. Выращивая детали по частям, можно создавать модели и больших размеров.

 

 

Рис. 10.11. Лазерный стереолитограф ЛС-250 и модель турбинной лопатки, полученные способом ЛС

 

Известна германская установка SLA700 (Stereo Lithography Apparatus – SLAпроцесс), позволяющая изготавливать изделие размерами 500´500´600 (в мм) с наносимым слоем в диапазоне 0,025 – 0,125 мм; при этом в зависимости от размеров деталей время изготовления составляет от нескольких часов до суток.

На рис. 10.12 показана общая схема получения модели по технологии стереолитографии. Приведены все этапы «строительства» детали в виде выжигаемой модели при реализации технологии получения заготовки детали методом литья.

 

	а)
		б)

 

г)

в)

Рис. 10.12. Принципиальная схема получения модели по технологии стереолитографии: а - формирование лазером очередного слоя в области «строящейся» детали – модели; б - погружение платформы с моделью в полимер на величину требуемого слоя; в - нанесение на поверхность детали – модели очередного слоя жидкого полимера; г - формирование лазером очередного слоя в области «строящейся» модели

Селективное лазерное спекание (SLS). Процесс заключается в послойном спекании (плавлении) порошкового материала лазерным лучом (рис.10.13). Тонкий слой плавящегося порошка, поступающего из картриджа 1, раскатывается роликом 2. Сканирующий луч лазера 3 обеспечивает спекание порошка в зонах, определяемых геометрией формируемого поперечного сечения. Затем наносится новый слой порошка, и процесс повторяется. Роль поддержек выполняет прикатываемый валиком порошок. Применяются мелкодисперсные термопластичные быстрозатвердевающие порошки полимеров, керамик, металла.

 

Рис. 10.13. Схема процесса SLS:

1 – картридж с порошком; 2 – ролик; 3 – СО₂-лазер; 4 – рабочая камера; 5 – система отклоняющихся зеркал; 6 – спекаемое изделие.

 

В рабочей камере порошок предварительно подогревается до температуры, близкой к температуре плавления легкоплавкой фазы, что позволяет использовать лазеры меньшей мощности и снизить тепловые деформации изделия. Во избежание окисления порошка процесс выполняют в среде азота или инертного газа.

Известна установка – Vanguard HS, которая позволяет изготавливать модели из порошковых материалов на основе полиамида (функциональные модели, дизайн-модели, мастер-модели), на основе полистирола (выжигаемые модели), на основе металлических сплавов (пресс-формы) (см.рис. 10.14).

 

 

Рис. 10.14. Внешний вид установки Vanguard HS

 

Изделия, полученные методом селективного лазерного спекания, созданные по компьютерной трёхмерной модели, позволяют:

- оценивать конструкцию и внешний вид разрабатываемых изделий;

- проверять собираемость и работоспособность конструкций;

- получать металлические детали литьем по выжигаемым моделям;

- изготавливать оснастку для опытных образцов, эластичные силиконовые, металлические напыляемые и металлополимерные формы, литые штампы;

- изготавливать серийные пресс-формы и штампы литьем стали по выжигаемым полистирольным моделям.

Метод селективного лазерного спекания имеет ряд существенных преимуществ:

- высокую скорость построения;

- полную совместимость технологии литья металлических деталей по выжигаемым моделям со стандартным производственным процессом;

- возможность построения металлических изделий, которые имеют свойства инструментальной стали;

- возможность быстрого выпуска пилотных партий изделий.

Технические характеристики оборудования:

- размеры изготавливаемых изделий, мм (склейка) 300×300×400 (600х600х800);

- точность 0,2 мм;

- толщина слоя 0,081-0,5 мм;

- скорость изготовления 12-24 мм общей высоты в час.

Проводятся исследования по разработке технологии и оборудования с целью создания высокотемпературного SLS-процесса для получения металлических, керамических и композиционных деталей непосредственно из порошка. Одна из его разновидностей Laser-Engineered Net Shaping (LENS), предложенная фирмой Sandia National Laboratories (США), позволяет получать детали из нержавеющих сталей, никелевых сплавов и твердых сплавов на основе карбидов вольфрама и титана. Метод отличает то, что в зону воздействия лазерного луча дополнительно вводится порошок или проволока из требуемого материала.

Детали из карбида кремния получают селективным лазерным реактивным спеканием смеси карбида кремния и кремния в среде, содержащей метан.

LOM-процесс (Laminated Object Manufacturing) – технология изготовления изделий способом вырезания лазерным лучом или специальным ножом сечений из специальной бумаги или листового пластика толщиной 0,01 … 0,05 мм с последовательным автоматическим приклеиванием каждого слоя на «выращиваемый» объект (рис.10.15).

CAD-данные, содержащие информацию об изготавливаемой модели, передаются в систему управления установки. Программа рассчитывает необходимое количество поперечных сечений детали и геометрию каждого слоя.

 

Рис.10.15. Схема LOM-процесса:

1 – лента; 2 – рулон; 3 – ведущая бобина; 4 – платформа; 5 – лазер;

6 – зеркало; 7 –оптическая головка; 8 - термовалик

 

Построение начинается с наложения слоя клейкой бумаги на рабочую платформу. После этого лазер вырезает контур первого слоя и разрезает на квадраты излишки материала, который во время построения играет роль поддерживающей структуры. Затем вырезается общий прямоугольный контур (обойма), не позволяющий кубикам размеченного для удаления материала отделяться в процессе построения. Платформа опускается, бумага подается вперед. Новый слой соединяется с предыдущим за счет прикатки разогретым валиком. Действия будут повторяться, пока не будет построена вся деталь.

Изделие, снимаемое с установки, имеет вид прямоугольного блока. Излишки материала, окружающего деталь, уже разделены на кубики, которые удаляются вручную.

 

По окончании процесса поверхность детали шлифуется, полируется или окрашивается. Полученное изделие после обработки специальной смолой имеет плотность и прочность выше, чем у дерева. В данной технологии, кроме бумаги, можно применять керамические, пластиковые и металлические листы. LOM-объекты могут использоваться в качестве моделей для литья.

Преимуществом LOM-моделей является надежность, устойчивость к деформациям. Для них характерна сравнительно низкая стоимость, обусловленная использованием недорогих твердых листовых материалов.

Пример детали, полученной по этой технологии, представлен на рис. 10.16.

 

Рис. 10.16. Пример детали, полученной с применением

LOM-технологии

 

Технология Fused Deposition Manufacturing (FDM) основана на послойном наложении разогретой полимерной нити (рис.10.17). Для формирования объектов используется термопластичный материал в виде нити диаметром 1,78 мм, подаваемой через экструзионную головку. В экструзионной головке материал нагревается до полужидкого состояния и выдавливается через сопло диаметром 0,1 … 1 мм с контролируемой скоростью. При перемещении головки материал тонкими слоями наносится на подложку. Последующие слои накладываются на предыдущие, формируя объемное изделие.

Наиболее часто для создания моделей способом FDM, используют ABS-пластик, который поставляется в катушках. Применяют также литейный воск, полиолефин, полиамид.

 

Z

X

Y

б

a

14

13

12

11

10

1

2

8

9

7

6

5

4

3

Рис. 10.17. Схема процесса FDM (а) и экструзионная головка (б):

1,2 – катушка с нитями из материала поддержки и основного материала соответственно; 3 – головка с фильерами; 4 – экструзивная головка;

5 – платформа; 6 – поддержка; 7 – формируемое изделие; 8 – нить; 9 – подача охлаждающего воздуха; 10 – нагреватель; 11 – фильеры; 12– слои изделия;

13 – изолирующая панель 14 – механизм подачи нити;

 

Технология FDM разработана компанией Stratasys. Метод позволяет формировать сравнительно крупные объекты; например, на установке FDM Quantion их габариты достигают 600´500´600 мм при точности ~0,1 мм. Толщины слоев составляют 50 … 760 мкм. На этих установках используются две экструзивные головки: одна для построения детали, а другая – для осаждения материала поддержки. После того как модель изготовлена, материал поддержки вымывается водным раствором в ультразвуковой ванне, модель остается при этом гладкой и чистой, без рисок и царапин, сохраняет мельчайшие детали. Это предjставляет неограниченные возможности построения деталей со сложной внешней и внутренней геометрией.

Поддержки для детали могут формироваться из того же полиэфирного материала, что и сама деталь, а в месте соединения поддержки с моделью система создает перфорацию, что облегчает процесс удаления поддержек.

Объемные 3D-принтеры используются в основном для визуализации сложных объектов при проектировании. С помощью объемных принтеров строят физические модели из материала, подаваемого из одной или нескольких струйных головок. В объемных принтерах используются две экструзионные головки, наносящие слои материалов с разными температурами плавления. По окончании формирования модели более низкотемпературный материал, выполняющий роль поддержки, удаляется выплавлением.

Системы быстрого прототипирования, как указывалось выше, находят применение непосредственно при изготовлении деталей в единичном и мелкосерийном производстве. Особый интерес в этом плане представляет их использование:

- в литейном производстве в качестве мастер-моделей, а также выжигаемых и выплавляемых моделей;

- для получения деталей из порошковых материалов, керамик и керамокомпозитов.

Разовые модели для точного литья производят из материалов, которые легко удаляются из оболочковой формы выплавлением или выжиганием.

Особый интерес представляют технологии получения моделей из воскообразных и водорастворимых материалов. Некоторые из них уже нашли промышленное применение. Например, на установках ММ6-PRO фирмы Sanders Prototype изготавливают не требующие подгонки модели для различных видов точного литья, в частности, по выплавляемым моделям с точностью 0,05 мм при шероховатости поверхностей R_max=2,0…3,5 мкм. Нанесение материала при помощи двух струйных головок позволяет получить модели, разделенные между собой слоем легкорастворимого поддерживающего воска. Термопластичный материал модели, обладающий низким коэффициентом линейного расширения, хорошо удаляется из литейной формы путем автоклавирования или выжигания. В частности, используется литьевой воск, который имеет очень низкую зольность и обеспечивает наилучшее качество обработки поверхности. Он идеально подходит для процесса литья по выплавляемым моделям, поскольку быстро выжигается из оболочки.

По степени зернистости получаемые слои можно разделить на суперчистовые (зерно 0,0127 мм), повышенной чистоты (зерно 0,019 мм), чистовые (0,038 мм), получистовые (0,0508 мм), средние (0,076 мм), черновые (0,15 мм). Применяя материалы различной зернистости, можно получать объекты с различной производительностью, точностью и качеством поверхности.

В настоящее время проводятся широкие исследования по использованию технологий быстрого прототипирования для изготовления деталей из новых материалов, в частности, конструкционных керамик и керамокомпозитов.

В лаборатории быстрого прототипирования Дейтонского университета выполнены исследования по созданию объектов сложной формы из структурной керамики и керамокомпозитов способами плоского и криволинейного LOM-процесса.

Основное внимание уделяется созданию деталей из керамик SiC и композитов.

В ближайшем будущем на основе этой технологии планируется изготовление газовых турбин и камер сгорания, створок сопла и других деталей, работающих при температурах до 1400^оС.

Процесс изготовления деталей из монолитной керамики состоит из нескольких этапов, а именно: получение керамической ленты, нанесение распылением клейкого слоя, формообразование посредством LOM-процесса, прессование в порошковой среде и удаление связующего (при температуре 180^оС и давлении 30 МПа), предварительное спекание при температуре 600^оС и окончательное реакционное спекание при температуре 1600^оС.

Технологии быстрого прототипирования заняли прочное место практически во всех областях материального производства в индустриально развитых странах. Очевидный прогресс в промышленности этих стран не в последнюю очередь обусловлен стремительным развитием RP–технологий. На рубеже веков мы стали свидетелями настоящей технологической революции, значение которой мы еще не в полной мере осознаем, но уже очевидно, что оно поистине огромно. Современный конструктор, разрабатывающий детскую игрушку или космический аппарат, уже не мыслит создание своего детища без RP–технологий. Здесь мы затронули лишь незначительную часть того грандиозного понятия как «Технология Быстрого Прототипирования» и коснулись в основном проблемы изготовления литейных прототипов. За форматом этой работы остались другие RP–технологии применительно к другим задачам. Однако уже очевидно, что для отечественной авиационной промышленности задача скорейшего освоения RP–технологий, а именно всей цепочки от CAD – данных до отливки и станка с ЧПУ, является стратегически важной. В современных условиях ни один участник авиационного производства не имеет перспектив без освоения Технологий Быстрого Прототипирования.

 

10.3. К вопросу создания композиционных материалов и деталей ГТД на их основе[1]

 

Расчеты показывают, что металлы и сплавы на их основе, какими бы легкими и прочными они не были, не пригодны для изготовления деталей двигателей 5- и 6-го поколений [33]. Предполагаются условия эксплуатации таковы, что такие легкие металлы, как алюминий, бериллий, магний (не говоря уже о титане) не могут быть использованы из-за неудовлетворительного соотношения удельного веса и прочности. Выход видится в одном: изготовлении деталей из композиционных материалов. Наиболее актуальной задачей является изготовление рабочих лопаток компрессора. Комплексность данной задачи заключается в том, что проектирование геометрического облика лопатки с учетом статической, динамической прочности и аэродинамических характеристик детали и проектирование композиционного материала, включая технологию его изготовления, должны осуществляться одновременно. Сложность заключается в том, что различные элементы одной и той же детали, например, лопатки, имеют разные условия эксплуатации по напряжениям, температуре, агрессивной среде, частотам колебаний и др. Из этого следует, что каждому элементу детали должен быть спроектирован свой композиционный материал – по структуре, направлению волокон, объемному наполнению волокон и др. Из рис. 10.18 следует, что

Замок лопатки

Переходная зона пера в замок

Перо лопатки

Рис. 10.18. Лопатка ротора компрессора

перо лопатки, имеющее аэродинамический профиль в сечении, должно быть со своей определенной структурой композита, замок типа «ласточкин хвост», работающий в иных условиях – свой композиционный материал, тем более, что нагрузка на замок от центробежных сил является основной и определяющей. Большую сложность представляет собой создание композита в переходной зоне, соединяющей перо лопатки с замком. На рис 10.19 схематично показан композиционный материал (в сечении), состоящий из упрочняющих волокон, наполнителя (матрицы). Для повышения коррозионной и эрозионной стойкости композит может быть защищен специальным покрытием.

 

 

Рис. 10.19. Структура композиционного материала в сечении (схема)

 

Выбор типа композиционного материала (КМ) определяется условием работы рабочих колес – по температуре, частоте вращения ротора; на тип КМ влияют удлинение пера, его закрученность, сложность профилей, предполагаемая технология изготовления и др.

Ниже, с учетом вышеназванных особенностей, в качестве примера рассмотрена методика создания композиционного материала и модели лопатки компрессора на его основе. В качестве материала лопатки был принят композиционный материал волокнистой структуры. Упрочняющим материалом был взят бор – волокно; в качестве наполнителя (матрицы) был выбран сплав на основе магния. Свойства этих составляющих композиционного материала приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1