На головну

Інтегрований робочий процес прискореного формоутворення вироби або його прототипу - Rapid Prototyping

  1.  A. Свідомість як реальний, але не зводиться до фізико-хімічним подій процес в мозку
  2.  B. Чи мислення окремим випадком інформаційного процесу?
  3.  B. Процес, при якому для повернення системи в початковий стан потрібні витрати енергії.
  4.  C) Еволюція статевого процесу у рослин
  5.  C. Неадекватність вихідної методологічної установки теоретико-інформаційного процесу феномену цілісності мислення
  6.  I. Процесуальні засади призначення і виробництва
  7.  I. Гальмування процесу модернізації в Японії

Швидку зміну поставляються на ринок виробів, істотно перевершують за функціональним, естетичним, екологічним властивостям (якості) попередні, не можна забезпечити тільки за рахунок продуктивності і домогтися конкурентоспроможності за рахунок тільки вартості.

Сьогодні на передній план виходить застосування новітніх технологій, здатних істотно скоротити час розробки, освоєння і виробництва нового виробу. Час розглядається як стратегічна зброя в конкурентній боротьбі, як еквівалент фінансів, якості, продуктивності. Секрет успіху переміщається від вартості, заснованої на часі, до стратегій, заснованих па нових технологіях, т. К. саме нові технології, нові робочі процеси, перш за все інтегровані, дозволяють не жертвувати ні вартістю, ні якістю при завоюванні ринку і швидкому реагуванні на його все нові вимоги.

Час створення продукту (ВСП) - проміжок часу між виникненням ідеї та впровадженням продукту на ринок, істотно впливає на конкурентоспроможність підприємства.

аналіз циклу створення продукту (ЦСП) показує, що у всіх його фазах - від виникнення ідеї продукту аж до його впровадження на ринок - необхідний прототип. Для промислових товарів широкого споживання ЦСП може бути розділений на 6 фаз.

В фазі предразвития багаторазово опрацьовуються, перш за все, дизайн моделей і геометричні прототипи, які в загальному випадку, виробляються в одному екземплярі. Дизайн моделей повинен бути точним тільки за розмірами, а задоволення інших властивостей другорядне. Так як функціональні вимоги в цій фазі мають другорядне значення, виробляються такі моделі багаторазово з різноманітних матеріалів моделювання. Використовуються такі моделі для вивчення дизайну і ергономіки, а також для перших аналізів маркетингу.

На противагу першій групі геометричні прототипи, вже володіють естетичними властивостями, повинні задовольняти більш високим вимогам щодо розмірів і точності форми, а також допусків розмірів і допусків форми. Функціональні властивості поки також мають другорядне значення. Типова область застосування цього способу - виробниче планування виготовлення ,, повторний огляд виробництва та збирання ,, а також грубе планування виготовлення і збірки, де прототипи необхідні як засіб комунікації.

В фазі створення функціонального зразка виготовляють від 2 до 5 прототипів з метою перевірити ідею вироби за принципом роботи і за принципом функціонування і, отже, оптимізувати. Основне питання на цьому етапі створення полягає в тому, що аналізуються функції окремих компонентів виробу і його складових частин.

У наступній фазі створення виготовляються технічні прототипи у великих кількостях примірників (в залежності від конкретних умов - від 3 до 20), які по можливості повинні бути тотожні кінцевої продукції в частині використовуваного матеріалу і встановленої технології. Результати цієї фази робіт використовуються для оптимізації конструкції.

Впровадження вироби на ринок відбувається в предсерийной фазі в залежності від галузі в кількості до 500 штук. Окремі конструктивні елементи виробляються з матеріалу серії за допомогою більш пізнього (т. Е пізнього по етапу) інструменту і технології. Предсер необхідна в області планування вироби, для інтенсивного тесту його і ринку. У цій фазі відбувається розгін виробництва, необхідний для визначення параметрів виробництва і проведення оптимізації.

Нові етапи розвитку науки, інформатики, лазерної технології та т. Д. Дозволили перейти до інтегрованим способам прискореного формоутворення, позбутися від декількох фаз створення прототипів, розглянутих вище.

9.1. Сутність інтегрованих способів прискореного формоутворення (Rapid Prototyping)

Інтегрований робочий процес прискореного виготовлення деталей або їх прототипів є органічне поєднання можливостей комп'ютерних технологій обробки інформації, трьох координатного моделювання (САD) і сучасних способів виготовлення.

Спосіб дозволяє в часі і просторі поєднати або надзвичайно зблизити конструювання та виготовлення типовий або одиничної моделі або безпосередньо деталі і скоротити час їх виготовлення.

Цей генеративних процес, який отримав назву Rapid Prototyping, зародився близько 25 років тому.

Ідеологія прискореного формоутворення вироби (моделі, прототипу) базується на:

§ можливості комп'ютерного автоматизованого проектування вироби (за кресленням, аналітичним залежностям або результатами вимірювань);

§ комп'ютерної оптимізації його конструкції, виходячи з вимог дизайну, форми, функціональних властивостей (САD);

§ трансформації трьох координатної моделі в сукупність пошарових двовимірних, двухкоордіпатних моделей;

§ можливості відтворити цю сукупність пошарових моделей, т. Е матеріалізувати всю модель як єдине ціле, як твердотельное виріб або його прототип (САМ).

Функціональна структура інтегрованого робочого процесу прискореного формоутворення вироби може бути представлена ??в такій послідовності:

9.1.1.Отримання тривимірної математичної моделі вироби. Вона створюється за даними креслення, приватним аналітичним залежностям. Якщо виріб відтворюється, то модель отримують на трьох координатної вимірювальної машині шляхом обміру оригіналу скануванням поверхні пошарово або поточечно (рис. 11.3, а).

9.1.2.Комп'ютерна оптимізація конструкції створюється за програмами, виходячи з функціонального призначення, дизайну, ін. Вимог, що пред'являються до розробляється виробу. Важливість цього етапу визначається ще й тим, що для комп'ютерної оптимізації не потрібно твердотільна модель або виріб, що різко скорочує час на проектування.

9.1.3.Пошарове уявлення теоретичної моделі сукупністю двовимірних щодо простих моделей (рис. 11.3, б).

9.1.4.Створення програм комп'ютерного управління рухом робочого органу, «інструменту», за допомогою якого пошарово відповідно до сукупністю 2-D моделей буде матеріалізуватися теоретична модель виробу або його прототипу.

9.1.5.Пошарове (рис. 11.3, в) отримання одним із способів цільної твердотільної моделі або вироби або серії виробів. Мал. 11.4 наочно ілюструє ці етапи прискореного формоутворення.

9.1.6.Остаточне виріб або модель отримують наступним поліпшенням властивостей. Для цього на першому етапі встановлюється відмінності властивостей очікуваного прототипу і необхідного виробу - по геометричній формі, фізичним, механічним, хімічним і ін. Властивостями.

а) б)

с)

Мал. 9.1. Основні переходи способу RР: а) ЗD-CAD-модель; б) сукупність 2D-САD моделей; в) пошарово побудована твердотільна модель.

9.2. САD - моделювання

Створення САD - моделей (3-D моделювання та трансформація теоретичної моделі в систему двовимірних 2-D моделей), а також їх підготовка до подальшого використання вимагає основної частини часу, що витрачається при RР процесах.

Воно може використовуватися як діалоговий інструмент для оптимізації конструкції вироби, для швидкого усунення недоліків дослідного зразка шляхом зміни банку даних.

Відправною точкою для кожного RР-методу є тривимірне опис геометрії прототипу, призначеного для виготовлення, з якого випливає створення фізичної шаруватої моделі.

9.3. Способи матеріалізації 3-D САD - моделей

Способи матеріалізації теоретичних 3-D моделей є найважливішою складовою інтегрованого робочого процесу прискореного формоутворення, виготовлення виробів або їх прототипів, т. К. саме вони багато в чому визначають скорочення часу створення вироби, продукту довільній найскладнішої форми; ступінь підвищення якості виробу; скорочення сумарних виробничих витрат. У сукупності ці фактори визначають конкурентоспроможність продукту на ринку.

Всім існуючим способам матеріалізації теоретичних моделей притаманне багато спільного:

- Все прототипи або вироби виготовляються на основі даних ЗD - САD проектування;

- Все прототипи або вироби виготовляються пошарово;

- Власне виробу чи його прототип отримують не шляхом зняття припуску з заготовки, а за допомогою нарощування, додавання матеріалу;

- Нарощування матеріалу в процесі формоутворення відбувається в перехідній його фазі від рідкого або порошкоподібного до твердого стану;

- Виготовлення конструктивного елементу не вимагає форм або інструменту, а, значить, відпадають проблеми, пов'язані із зносом інструменту при формоутворенні різанням, штампуванням, куванням і т. Д .;

- Відсутність обмежень, пов'язаних зі складністю форми вироби (внутрішні порожнини, складні внутрішні або зовнішні поверхні), чим складніше конфігурація вироби, тим більшу перевагу процесу;

- Різке скорочення витрат часу;

- Ефективність всіх способів RР істотно підвищується при їх комбінації з завершальній технологією виготовлення твердотільних виробів - вакуумне лиття, лиття під тиском і ін. Його види.

Використовувані способи отримали умовне позначення, що складається з початкових літер слів, що складають назву способів матеріалізації (RР):

9.3.1.Спосіб стереолітогафіі (SL)

При SL геометричне відтворення деталі здійснюється пошарово дисперсійним твердением рідкого фотополімера за допомогою UV лазера (фотополімеризація). Звичайні товщини шару складають 0.05 до 0,2 мм. На основі ЗD - САD даних для окремих площин перетину розробляються керуючі програми для XY - сканування поверхні рідкого фотополімеру.

Конструктивний елемент будується поступово на платформі носія, яка знаходиться на початок обробки безпосередньо під поверхнею полімеру (рис. 11.6). Промінь лазера, керований комп'ютером, проходить по поверхні рідкого полімеру, «скануючи» її частина відповідно до конфігурації першого шару. Відбувається дисперсійне твердіння цього шару рідкого фото-полімеру, після чого платформа носія опускається на величину. рівну товщині твердого шару. Так послідовно відбувається відтворення тривимірної геометрії конструктивного елемента.

SL-метод не тільки найточніший і найвідоміший RР-метод, але і найбільш поширений в світі. 50% всіх RР-пристроїв припадає на Стереолітографія.



Мал. 9.2. Схема отримання тривимірної твердотільної моделі

пошаровим нарощуванням за способом стереолітографії: 1 - лазер; 2 - виріб; 3 - рідкий полімер; 4 - ванна; 5 - рухома платформа; 6 - дзеркало, що управляє скануванням

9.3.2.Спосіб виборчого лазерного спікання (SLS)

Вихідний матеріал - порошкоподібні поліаміди, полікарбонади, полістирол, сплави нікелю і бронзи і ін. Подібно рідкому полімеру (спосіб SL) порошок заповнює ванну або пошарово наноситься на рухому платформу. Луч СО 2 - Лазера сканує поверхню порошку відповідно до конфігурації першого перетину і обумовлює локальне виборче спікання порошкової маси (рис. 11.9).

Мал. 9.3. Виборче лазерне спікання (SLS)

9.3.3.Спосіб виготовлення шаруватих об'єктів (LOM)

При LOM конструктивні елементи вирізаються один за іншим з окремих листів клейкого паперу або фольги (листовий) і з'єднуються вздовж зрізів за допомогою лазера (11.10).

Мал. 9.4. Отримання моделі нарощуванням шаруватого пластику (LОМ)

9.3.4.Спосіб основного термічного впливу (SGC)

Спосіб грунтується на принципі фотополімеризації. На відміну від SL -способи, при якому експонується поверхню шару точка за точкою за допомогою променя лазера, тут відбувається експозиція за допомогою маски і UV-лампи. Виходячи з опису геометрії деталі в STL- форматі (квазі-стандартний формат даних для RР- методу), відбувається спорудження геометрії через взаємодію двох роздільно існуючих циклів (рис. 11.11). У першому відбувається виготовлення маски-негативу, яка служить як літографічна структура для процесу експозиції. У власне формоутворенні КЕ бере участь перш за все шар тонкого рідкого полімеру. накладається на диск носія.

Використання воску є характерним для SGC, він використовується як опорна конструкція. На окремій операції затвердіння після експозиції маски гарантується повне затвердіння фотополімеру. Надалі відбувається процес очищення КЕ з воскової форми із застосуванням лимонної кислоти.


Мал. 9.5. Метод основного термічного впливу (SGC)

9.3.5.Спосіб моделювання опалювальному (FDM)

Формоутворення деталі відбувається за допомогою експозиції, а через нагревающее сопло відбувається розтоплення вихідного матеріалу. Намотаний на котушку матеріал підводиться до сопла, керованого від координатного механізму. Дріт знаходиться в стані, близькому до температури плавлення. Розплавлений в камері матеріал видавлюватиметься на платформу носія, перш за все на попередній шар, причому відстань між вершиною форсунки сприяє отриманню необхідного профілю вироби (рис. 11.12). У загальному випадку товщина шару становить від 0,025 мм до 1,25 мм, а товщина стінки між 0,22 мм і 6 мм. Після закінчення нанесення шару платформа носія опускається, і виробляють нанесення наступного шару. Для зміцнення побудованої шарами деталі використовують при необхідності опорні конструкції з картону, полістиролу та ін. Застосовувані матеріали - термопласти, віск, метали.

Мал. 9.6. Спосіб моделювання опалювальному (FDM)

9.3.6.Спосіб трикоординатної (тривимірної) друку (З-D Printing або TDP)

Спосіб, заснований на принципі TDP, схожий на SLS: зерна розплавляються, і вихідний матеріал за допомогою рідкого сполучного, з'єднується в єдине. Зв'язок зерен відбувається під дією інжектора розтоплюють сопла, який управляється від XY - даних про шарі, отриманих при комп'ютерному розрахунку шаруватої моделі. При цьому способі можливе виготовлення керамічних форм і форм для методу точного лиття (рис. 11.13).


Мал. 9.7 Принцип 3-х мірного друкування (3D - Printing).

9.3.7.Спосіб багатофазного затвердіння струменя (MJS)

Опрацьований матеріал гріється в камері розтоплення до температури плавлення і пропускається через форсунку. Управленіетемпературой погоджено при цьому так, щоб розплавлений матеріал покривав поверхню необхідним шаром. Принцип роботи MJS способу представлений на рис. 11.14

Мал. 9.8. Схематичне зображення VJS - способу;

Спосіб заснований на утворенні шару за допомогою системи форсунки, що розподіляє розтоплюють матеріал по поверхні. Є схожість з FDM способом. Істотна відмінність - подача вихідного матеріалу і сам вихідний матеріал. При MJS - способі прототипи КЕ виготовляються з низкоплавких металевих сплавів, а також з високоякісної сталі, титану, кераміки внаслідок обробки порошкоподібних сумішей

9.3.8.Спосіб виготовлення моделей з використанням балістики (ВРМ)

Базується на принципі чорнильного друкувального пристрою. Формоутворення пошаровим нарощуванням здійснюється за рахунок того, що окремі маленькі крапельки термопластичного матеріалу, вилітаючи з «друкує» головки, застигають в необхідному місці спочатку підтримує платформи, а потім - попереднього шару вироби. Установки різних фірм відрізняються кількістю застосовуваних «друкуючих» головок - від 2-х до 5-ти. В останньому випадку відпадає необхідність використання підтримуючих конструкцій.

9.4. Зразковий склад центру RР

Як приклад реалізації ідеології RP можна розглянути склад такого центру в Магдебурзькому університеті.

Основними компонентами центру є:

9.4.1.Оптико-електронний цифровий сканирующая система придназначена для:

- Швидкого, чіткого і точного вимірювання поверхні виробу довільної форми;

- Безконтактного вимірювання пошарово (томографія), у тому числі «чутливих» частин поверхні виробів (глина, віск, гума);

- Забезпечення високої точності відтворення геометричної форми тіла завдяки дуже високій щільності вимірювань;

- Переведення вимірювань в модифіковану тривимірну математичну модель (ЗО-САЕ модель).

9.4.2.ЗD-САD робоче місце призначене для:

- Швидкого моделювання ідей, ескізів, креслень (в межі -фотоснімков);

- Представлення різних форматів даних (IGES, SТЕР, VDA, FS або САD System) в стандартизованої системи STL (Standard Transformation Language);

- Швидкої параметричної оптимізації конструкції, перебору параметрів;

- Трансформації і використання даних в системі Internet або інших носіїв інформації.

9.4.3.Стереолітографіческая установка придназначена для:

- Матеріалізації математичної моделі виробу шляхом швидкої лазерної пошаровим генерації деталей з середовища рідкого полімеру, інших штучних матеріалів;

- Прямий реалізації даних проектування, даних математичного моделювання, цифрових даних вимірювання в розмірних даних характеристики твердого тіла (вироби);

- Прецизійного виготовлення сложнопрофільних моделей і виробів;

- Переробки Стереолітографіческая даних.

9.4.4.Установка для лиття в вакуумі забезпечує:

- Швидке отримання малих серій виробів з легкоплавких матеріалів (віск);

- Точне відтворення первинних довільної форми і складності виробів з полімеру;

- Виготовлення прозорих і еластичних деталей;

- Надання різного забарвлення за рахунок барвників або покриттів.

Оснащення центру дозволяє вирішувати завдання прискореного моделювання виробів, що належать до самих різних областей: інструментальне виробництво, електроніка, електротехніка, медицина, культурно-історичні пам'ятки і т. Д.

9.5. Практична реалізація інтегрованого способу прискореного формоутворення (RР)

Широкі можливості різних способів матеріалізації тривимірних математичних моделей визначають той виключно високий темп, з яким реалізується на практиці ідеологія RР. близько 25 % діючих установок використовується в автомобільній індустрії, до 15% - в електротехніці, включаючи побутове призначення, до 7 % - В медицині, до 5 % - В верстатобудуванні та інструментальному виробництві.

Дослідження підтверджують, що пряме отримання деталей або їх моделей методами RР забезпечує якість поверхні за критерієм Rа і Rz, Що наближаються до можливостей фрезерування і навіть шліфування. Початковий стан поверхні SL - моделі Rа = 3,97 ?м і R z = 21,03 ?м після доведення поліпшується до Rа = 0,64 ?м і R z = 4,19 ?м.

Шляхом раціоналізації процесу RР і облагородження моделі покриттями зносостійкість виробів вдається підвищити в 3 - 5 разів.

У загальному випадку ефективність застосування RР методів значною мірою залежить від того, яка технологія прийнята в якості завершальній, «результуючої».

Технологічні варіанти способу прискореного формоутворення (RР) дуже різні. Це вимагає систематизації наявних знань і досвіду нової високої технології. Провідні авіабудівні та автомобільні фірми з цією технологією пов'язують істотне скорочення часу і фінансових витрат на розробку нової продукції в найближчі роки.

Питання для самостійного контролю

1. Яке місце у виробництві продукту від ідеї до виходу на ринок займає створення його прототипу, моделі?

2. Назвіть основні етапи традиційного прототипирования виробів.

3. На чому базується ідеологія прискореного виготовлення виробів або їх прототипів - RР?

4. Як Ви уявляєте структуру RP?

5. Які загальні риси способів матеріалізації 3-х мірних математичних моделей виробів?

6. Перерахуйте способи матеріалізації математичних моделей виробів.

7. Дайте узагальнену характеристику достоїнств і перспектив застосування інтегрованого способу прискореного формоутворення.

Лекція 9 (10)

 




 Курс лекцій |  Основні тенденції розвитку машинобудування |  Організація структури промислового виробництва в зв'язку з невизначеністю технологій і ринку |  Високі технології і їх робочі процеси |  Робочі процеси алмазного шліфування надтвердих матеріалів |  Робочі процеси лезовійной обрабкі иструмента з синтетичних полікрісталіческіх алмазів |  Робочі процеси лезвийной обробки інструментом з надтвердих нітридів бору |  Робочі процеси прецизійної обробки полімерів |  Робочі процеси, що базуються на високошвидкісному різанні |  Парадигми виробництва майбутнього |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати