Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Перспективы технологий оперативного макетирования и производства изделий

Перспективы технологий оперативного макетирования и производства изделий

Производство изделий из композиционных материалов с рабочими поверхностями сложного профиля без использования дорогостоящей формообразующей оснастки (сокращает стадии технологической подготовки производства) наилучшим образом удовлетворяет требованию снижения материальных и трудовых затрат. Большинство технологий создания изделий без формообразующей оснастки заключается в быстром переводе тонкого слоя жидкого или порошкообразного плавкого сырья в твердое, сохраняющее форму, состояние при послойном синтезе изделия. Такой перевод осуществляется обычно лазерным излучением или плазменными потоками, при этом движение луча или концентрированного потока управляется по программе. В качестве сырья в настоящее время широко используются при оперативном макетировании фоточувствительные полимеры, а при непосредственном производстве изделий - металлические порошки и порошки керамики с металлическими связующими [1].

В настоящее зремя в машиностроении все чаще применяются методы, не использующие формообразующую оснастку, в сснову которых положены современные ресурсосберегающие и информационные технологии:

  1. Прямое получение изделий сложной формы или "выращивание" (Solid Freeform Fabrication).
  2. Послойный синтез (Laminate Synthesis).
  3. Быстрое прототнпирование или оперативное макетирование (Rapid Prototyping).
  4. Формирование трехмерных объектов (3D Compo- nent Forming), а также их всевозможные комбинации.

I-1. Производство изделий путем осаждения капель [Melissa Orme, Калифорнийский университет] - высокоточный метод построения моделей, в котором изделия формируются путем набрызгивания капель расплавленного алюминия размером до 100 мкм на подложку. При этом используют способ, называемый "прерывание капиллярного потока" (Capillary Stream Breakup).

I-2. Использование металлокерамических композитов [Charles Gadaska, "Allied Signal Research and Technology"] - метод получения изделий осаждением оплавляемой керамики (FDC - Fused Deposition of Ceramics), применяемый при создании металлокерамических деталей типа турбинных лопаток. Используя отдельные нити связующего материала с наполнителем из металлического или керамического порошка, в процессе FDC можно формировать изделия из различных материалов в одном слое.

II-1. Горячее изостатическое прессование и селективное лазерное спекание [Martin Wohlert, Техасский университет] - метод, объединяющий селективное лазерное спекание (SLS - Selective Laser Sintering) с горячим изостатическим прессованием (HIP - Hot Isostatic Pressing). Метод используется для изготовления деталей типа турбинных лопаток из сложнолегированных сплавов. Изделие из порошкообразного металла получают спеканием слоев металлического порошка мощным лазером. По мере построения изделия вокруг него формируется непроницаемая металлическая оболочка.

II-2. Использование ламинированного металла [Tamotsu Murakami, Токийский университет] - метод формирования изделий с помощью послойной укладки и вырезки тонких листов металла. Вырезая грани листов под углом, можно использовать относительно толстые листы для создания ламинированных изделий без заметных ступенек на окончательно сформированной поверхности. Использование толстых листов ускоряет построение изделия и сводит к минимуму ошибки, возникающие при последующей сварке.

II-3. Формирование изделий лазером с подачей проволоки [Michelle Griffith, "Sandia National Laboratories"] -метод непосредственного формирования изделия из металла управляемым лазерным пучком (LENS - Laser Engineered Net Shaping). В этом методе создания металлических изделий вместо порошка в качестве наносимого материала применяется проволока малого диаметра. Использование проволоки позволяет повысить производительность и сформировать более гладкие поверхности.

III-1. Контурное наложение (Contour Crafting) [Berokh Khoshnevis, Университет Южной Калифорнии] - новый метод быстрого прототипирования. При контурном наложении изделия формируются путем экструзии цепочки пластмассовых капель подобно макетированию по методу FDM (Fused Deposition of Materials). Капля формируется специальной управляемой лопаткой, закрепленной на экструзионной головке, что позволяет быстрее осаждать материал и устраняет появление ступенек.

III-2. Осаждение капель воска [Hermann Seitz, Мюнхенский технической университет] - метод изготов-ления изделий произвольной формы посредством использования многоструйной печатающей головки для осаждения капель воска. Преимущество метода состоит в том, что можно быстрее напечатать контуры слоя, а затем заполнить получаемый объем основным материалом. Метод дает возможность компоновать изделие из различных материалов, поскольку единственное требование к материалу - это то, чтобы им можно было заполнять полости, а затем его сглаживать.

IV-1. Трехмерная печать с применением металлов [Emmanuel Sachs, Массачусетский технологический институт] - новый метод изготовления металлических изделий с помощью трехмерной печати (3DP). По технологии ProMetal фирмы "Extrude Hone" твердотель-ные детали из металла формируются напылением связующего вещества на слои металлического порошка. После изготовления изделия нагреваются для удаления связки, а затем насыщаются медью или бронзой. Во время отжига соли металла образуют связи между частицами металла, что дает уменьшение усадки менее 0,2 %, по сравнению усадкой до 25 % для изделий, которые формировали с использованием связующего вещества.

IV-2. Моделирование с помощью объемных элементов [Ashok Kumar, Университет Флориды] - новый метод прототипирования, который формирует изделие путем осаждения электрофотографического порошка (тонера) аналогично процессам в фотокопировальной машине. Тонер послойно накладывается на основание платформы для построения изделия.

Объемное моделирование можно использовать для создания новых видов CAD-систем [Ashok Kumar & Ma Di, Университет Флориды и Технологический университет Наньянг], которые будут включать данные о составе материалов изделия в его трехмерные компьютерные модели. CAD-модель может быть создана из трехмерных точек с окрестностями, представляющими объемные элементы, каждый из которых содержит информацию о структуре его материала.

IV-3. Моделирование с помощью генетических алгоритмов [George Fadel, Клемсонский университет] может быть использовано вместе с данными об объемном элементе, для оптимизации физико-механических свойств изделия с помощью изменения распределения различных материалов в изделии. Генетические алгоритмы работают подобно процессам естественного отбора, в которых более слабые структуры отвергаются в пользу более сильных через процессы случайных изменений.

Изучение новых комбинированных методов оперативного макетирования и производства изделий сложной формы с позиций традиционных, ресурсосберегающих и информационных технологий создания изделий без формообразующей оснастки (I - IV) показало перспективы применения методов, обеспечивающих создание не только формы, но и композиционного материала изделия с заданным градиентом свойств.

Последовательное формирование по всей рельефной поверхности слоев из различных материалов и управление их свойствами при использовании концентрированных источников энергии обеспечивают ресурсосберегающие технологии, использующие самоорганизацию поверхностных явлений. Самоорганизация поверхностных явлений дает возможность формировать слои стабильной толщины в процессе изменения расстояния от источника энергии до обрабатываемой поверхности, а также позволяет материалу наносимого слоя проникать в предыдущий слой [2].

Компьютерное моделирование процессов оперативного макетирования и производства изделий сложной геометрической формы с учетом обеспечения физико-механических свойств композиционного материала изделия основывается на информационных технологиях и использует клеточные автоматы и генетические алгоритмы.

Таким образом, наиболее перспективными направлениями развития ресурсосберегающих и информационных технологий оперативного макетирования и производства изделий послойным синтезом с управляемым формированием свойств материала являются [1, 2]: 1, создание новых материалов как для основы, так и для поверхностных слоев-покрытий; 2) проектирование процессов, синтезирующих композиционные материалы при послойном формировании изделий концентрированными потоками энергии; 3) разработка программного обеспечения для моделирования формы и материала изделия, а также для управления потоками энергии и движением материала,

Литература

  1. Горюшкин В.И. Основы гибкого производства деталей машин и приборов. Минск: Наука и техника, 1984. 140с.
  2. М.Л. Хейфец, Б.П. Чемисов, Л.М. Акулович и др.Интеллектуальное производство: состояние и перспективы развития / Новополоцк: ПГУ, 2002. 268с.

Справочник. Инженерный журнал. №11, 2004, с. 51-52
И.П. ФИЛОНОВ, М.Л. ХЕЙФЕЦ, С.В. КУХТА, О.П. ГОЛУБЕВ
(Белорусский национальный технический университет,
Полоцкий государственный университет)

Статьи партнеров