Вітязєв Юрій Борисович. Розширення технологічних можливостей прискореного формоутворення способом стереолітографії

brief description

Вітязєв Юрій Борисович. Розширення технологічних можливостей прискореного формоутворення способом стереолітографії: дис... канд. техн. наук: 05.02.08 / Національний технічний ун-т "Харківський політехнічний ін-т". - Х., 2004.

Вітязєв Ю.Б. Розширення технологічних можливостей прискореного формоутворення способом стереолітографії. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 технологія машинобудування. - Національний технічний університет Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2004.
У дисертації вирішено важливу науково-технічну проблему розширення технологічних можливостей лазерної стереолітографії шляхом мінімізації витрат часу на формоутворення виробів при забезпеченні заданої якості. Запропоновано принципи структурної декомпозиції, раціонального комбінування й орієнтації елементів складних виробів, створюваних методом пошарового вирощування, що полягають у наступному: поділ складних виробів на складові елементи з наступним їхнім з’єднанням; вибір раціональної дискретності формованих шарів; орієнтація складових елементів з урахуванням особливостей їхньої поверхні.
Розроблено модель і програмне забезпечення, що дозволяють мінімізувати час і вартість побудови виробів методом лазерної стереолітографії і забезпечення їхньої якості незалежно від складності форми. Установлено залежності якості поверхні вирощуваного виробу від його мікрогеометрії і товщини шарів. Доведено необхідність змінювати товщини шарів у процесі нарощування в залежності від складності й орієнтації поверхонь першого і другого порядку і їхніх сполучень. Виявлено ключову роль товщини шарів у механізмі формування макро- і мікрогеометрії поверхні створюваного виробу. Розроблено технічні рішення і рекомендації для практичного застосування, що дозволяє на їхній основі створювати високоефективні технологічні процеси прискореного формоутворення виробів, їхніх прототипів і моделей на базі технології лазерної стереолітографії.

Дисертаційна робота присвячена рішенню науково-технічної задачі удосконалення процесу і розробці практичних шляхів, спрямованих на розширення технологічних можливостей стереолітографії, в рамках якої зроблено наступні висновки:
1. Розширення технологічних можливостей способу стереолітографії можна досягти зворотною структурною декомпозицією і трансформацією виробів. Зворотна декомпозиція вихідного виробу повинна виконуватися шляхом його поділу на складові елементи по висоті, створення цих елементів при раціональній орієнтації щодо поверхні робочої платформи установки з наступним складанням в заданий виріб, при цьому забезпечується скорочення технологічного часу їх створення при заданій якості формоутворення.
2. На основі розгляду фізичних особливостей способу лазерної стереолітографії розроблено структурну й аналітичну моделі технологічного часу створення виробів, що залежать від 18-и основних параметрів. Моделі забезпечують його прогнозування з точністю до 5%. Аналіз отриманої моделі методом побудови узагальнених графіків у відносних координатах виявив монотонний характер залежності часу побудови виробу від усіх технологічних параметрів. Це дозволило оцінити ступінь впливу кожного з них на час створення виробів, перейшовши до апроксимуючої ступеневої моделі процесу. Виявлено параметри, що вносять найбільш значимий внесок у технологічний час виготовлення виробів: вихідна висота виробу, площа робочої області, зайнятої деталями,, і товщина фотополімеризованого шару.
3. На базі аналізу аналітичної моделі висунуто доказову гіпотезу про необхідність використання принципу зворотної структурної декомпозиції для розширення технологічних можливостей прискореного формоутворення способом стереолітографії. Проведені дослідження показали, що при поділі виробу на частини коефіцієнт відносного часу його створенняможе досягати значень= 0,25. Ці результати підтверджують ефективність використання зворотної декомпозиції виробу стосовно до способу лазерної стереолітографії, тому що зменшення технологічного часу виготовлення виробу, а, отже, і собівартості виготовлення до чотирьох разів, відкриває нові можливості його практичного використання. Таким чином, доведено висунуту гіпотезу про необхідність використання принципу зворотної структурної декомпозиції для розширення технологічних можливостей способу лазерної стереолітографії.
4. Похибки виготовлення виробів способом лазерної стереолітографії доцільно розділити на дві групи: аналітичні і технологічні. Аналітичні похибки визначаються похибками формоутворення і триангуляції. Технологічні похибки обумовлено похибками функціонування SLA-установки і процесу фотополімеризації і мінімізуються шляхом коректування параметрів побудови.
5. Проведена параметризація елементів похибки формоутворення й аналіз отриманих профілограм підтверджують тезу про визначальний вплив товщини полімеризованого шаруна значення елементів похибки. Результати параметризації дозволяють прогнозувати похибки формоутворення і розглянути можливості оптимізації товщини шарів за критерієм заданої точності формоутворення. Аналіз результатів розрахунків показав, що в залежності від заданих значень похибки формоутворенняй інтервалу зміни кутаможна істотно (до 8 разів) збільшити значення товщини полімеризованого шарубез утрати точності. У свою чергу збільшення значень товщини полімеризованого шаруприводить до монотонного скорочення технологічного часу. Тоді технологічний час максимально може зменшитись до 22 разів. Таким чином, доведена доцільність створення виробу або елементів з застосуванням зміни товщин фотополімеризованих шарів за критерієм мінімуму технологічного часу (або собівартості виготовлення) з обмеженням по заданій похибці формоутворення.
6. Обґрунтовано необхідність формування виробів, що мають поверхні першого і другого порядку, шарами змінної товщини. Як технологічний прийом доцільно шари перемінної товщини формувати групуванням шарів з мінімально можливим кроком, забезпечуваним використовуваною установкою лазерної стереолітографії. Запропонований технологічний прийом дозволяє забезпечити прискорений процес створення твердотільної моделі при рішенні задач предметної області лазерної стереолітографії, пов’язаної з пошаровим вирощуванням виробів. Виконані експериментальні побудови тестових деталей на установці SLA 5000 з використанням стандартних програм і їхнє порівняння з розрахунками побудови з перемінним кроком на підставі запропонованого алгоритму дозволяють зробити висновок про те, що запропонований алгоритм розрахунку товщини полімеризованого шару по усій висоті деталі забезпечує необхідну точність поверхні. При цьому регулюється зміна кроку столу в технологічному діапазоні можливих значень з обмеженням по точності створення поверхні при формуванні шару. Результати досліджень показали, що кількість шарів, необхідних для побудови деталі, можна знизити більш ніж у 2 рази.
7. Виготовлення складнопрофільних виробів неможливо здійснити без допоміжних конструкцій - технологічних опор (підтримок), вирощуваних одночасно з виробом. Опори забезпечують перехід від платформи до першого шару виробу, підтримки - фіксують консольні, нависаючі й аркові фрагменти для зниження деформацій, викликаних процесом полімеризації. Використання підтримок як бази розширює можливості для вибору раціональної орієнтації виробу щодо вектора нарощування шарів відповідно до вимог щодо точності, шорсткості поверхонь і тривалості стереолітографічного процесу. Запропоновано й апробовано модель раціональної орієнтації виробу при пошаровому вирощуванні. Спочатку встановлюється тип виробу (плоска поверхня, тонкостінні елементи й ін.), задається припустима похибка формоутворення, потім визначається орієнтація виробу з урахуванням напрямку нарощування. Визначення раціональної орієнтації проводиться з урахуванням технологічного часу побудови підтримок.
8. Результати практичного застосування принципу зворотної структурної декомпозиції і трансформації виробу доводять ефективність обраного напрямку наукового пошуку шляхів розширення технологічних можливостей способу лазерної стереолітографії, підтверджують досягнення мети досліджень і створюють передумови підвищення рівня його використання в різних областях промислового виробництва України. Прикладом ефективного використання принципу структурної декомпозиції і трансформації є виготовлення моделі виробу «Брус передній» для створюваного українсько-польського сільськогосподарського трактора «Farmer». Забезпечено зниження технологічного часу більш ніж у два рази (58,2 години, замість 117,5 годин.) при використанні запропонованої технології. Економічний ефект від упровадження результатів досліджень на ДП ХМЗ «ФЕД» склав 127 тисяч грн. за даними замовника.