Исследование факторов, влияющих на процесс послойного синтеза методом лазерной стереолитографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Васильев, Федор Владимирович

• Васильев, Федор Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Васильев, Федор Владимирович

1 Введение.

2 Область использования лазерной стереолитографии.

2.1 Технология послойного синтеза изделий как реализация концепции КИПр.

2.2 Анализ этапа конструкторской подготовки.

Анализ подготовки математической модели изделия.

Применяемые САПР.

Создание STL файла.

2.3 Анализ методов ТПС.

Общая характеристика.

Стереолитография.

Моделирование при помощи склейки.

Лазерное спекание порошков (Selective Laser Sintering, SLS).

Наплавление термопластов (Fused Deposition Modeling, FDM).

Отверждение на твердом основании.

Другие методы ТПС.

Сопоставительный анализ и выбор метода ТПС.

Обоснование выбор метода стереолитографии.

2.4 Постановка задачи.

3 Анализ факторов, влияющих на процесс лазерной стереолитографии.

3.1 Анализ процесса полимеризации.

3.2 Анализ процесса подготовки модели изделия.

3.3 Определение факторов, влияющих на процесс изготовления.

3.4 Анализ и классификация факторов.

Анализ объективных факторов.

3.5 Анализ субъективных факторов.

3.6 Обоснование выбора факторов для оптимизации процесса ТПС.

3.6.1 Объективные факторы.

3.6.2 Субъективные факторы.

3.6.3 Определение себестоимости изготовления изделий методом лазерной СЛ.

3.6.4 Выбор факторов.

4 Исследование влияния выбранных факторов.

4.1 Математический анализ исходной модели изделия.

4.2 Исследование влияния мощности луча лазера.

4.3 Исследование влияния толщины слоя.

4.4 Исследование влияния и выбор ориентации модели.

4.5 Полный факторный эксперимент.

4.6 Выводы.

5 Научные и практические приложения проведенных исследований.

5.1 Обработка исходных данных.

5.2 Математическая модель производительности изготовления изделий методом стереолитогра фии.

5.3 Рекомендации по выбору параметров процесса лазерной стереолитографии.

Создание STL-файла.

Выбор толщины слоя.

Выбор ориентации изделия.

5.4 Разработка программного обеспечения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование факторов, влияющих на процесс послойного синтеза методом лазерной стереолитографии»

В настоящее время для поддержания конкурентоспособности производства требуется до минимума сократить время от разработки изделия до его появления на рынке. Предприятие, раньше других адаптирующееся к ситуации на рынке, чаще обновляющее ассортимент выпускаемой продукции, имеет значительное преимущество перед конкурентами.

Значительно сократить время создания новой продукции позволяет кон-•цепция компактного интеллектуального-производства (КИПр) [8,64] и, как одно из основных средств реализации этой концепции, технология послойного синтеза (ТПС) [9]. В основе этой технологии лежит принцип формирования объекта (изделия)'путем последовательного «наращивания» его сечений. При этом могут использоваться различные физические принципы: фотополимеризация, наплавление, склейка.

Из методов ТПС наиболее широкое применение благодаря своей универсальности получила лазерная стереолитография - формирование изделия путем преобразования жидких мономеров в твердые полимеры под действием луча лазера. Лазерная стереолитография позволяет с высокой точностью (50мкм) воспроизвести изделие по его математической модели. Изделия легко поддаются последующей обработке, что позволяет применять их в качестве мастер-моделей для изготовления высокоточной оснастки.

Наряду с достоинствами, у стереолитографии есть и недостатки, главный из которых — высокая себестоимость получаемых моделей, что в некоторых случаях ограничивает область их применения. Высокая стоимость моделей обусловлена, прежде всего, применением в качестве источников излучения дорогостоящих лазеров. В связи с этим основной путь к уменьшению стоимости изделий - повышение производительности оборудования. •Производительность оборудования во многом определяется его настройками, параметрами работы, которые задаются для каждой изготавливаемой детали. При задании технологических параметров процесса необходимо учитывать множество факторов, влияющих на процесс изготовления изделия.

Целью данной диссертационной работы является исследование факторов, влияющих на процесс послойного синтеза изделий методом лазерной стереоли-тографии, увеличение его производительности и автоматизации процесса технологической подготовки производства, что позволит снизить себестоимость изделий без потери качества. Для достижения указанной цели необходимо провести анализ влияющих на процесс ТПС факторов, дать их классификацию, разработать научные основы оптимизации процессов послойного синтеза изделий.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Васильев, Федор Владимирович

6 Заключение.

1. Определены цели и задачи диссертационной работы, состоящие в решении проблем снижения себестоимости процесса послойного синтеза изделий методом лазерной стереолитографии за счет увеличения производительности оборудования, определения условий ускорения процессов, сказывающихся на точности прототипирования.

2. Проведен анализ существующих систем послойного синтеза изделий, рассмотрены их преимущества и недостатки. Обосновано использование технологии послойного синтеза, основанной на процессах фотополимеризации эпоксидных смол Подробно проанализирован процесс послойного синтеза изделий методом лазерной стереолитографии. Исследованы факторы, влияющие на процесс, определена степень влияния каждого на скорость и точность изготовления изделий. Поставлена задача классификации факторов и оценки их влияния на себестоимость процесса изготовления изделий.

3. Проведена классификация факторов, влияющих на процесс послойного синтеза изделий методом лазерной стереолитографии, на объективные (факторы оборудования) и субъективные (факторы технологической подготовки производства). Показано, что снижение себестоимости возможно путем увеличения производительности процесса и повышения качества получаемых прототипов. Оценено влияние мощности лазера на производительность процесса, исследовано влияние толщины слоя и ориентации изделия на производительность процесса и качество получаемых изделий. Определено, что основное влияние на время и себестоимость изготовления изделий методом лазерной стереолитографии оказывают мощность луча лазера и ориентация модели в рабочей зоне. Предложены принципы выбора оптимальной ориентации воспроизводимого объекта по критериям производительности процесса и точности воспроизведения конфигурации объекта прототи-пирования.

4. Проведены экспериментальные исследования влияния толщины слоя на скорость процесса лазерной стереолитографии, проведен полный факторный эксперимент по оценке степени влияния факторов на производительность оборудования лазерной стереолитографии. Полученные результаты подтвердили сделанные выводы.

5. Разработаны алгоритмы анализа геометрии модели с целью оценки • времени изготовления моделей применительно • к процессу лазерной стереолитографии. Разработан математический аппарат оценки качества (точности воспроизведения формообразующих поверхностей) получаемых изделий. Это позволяет формализовать целевую функцию и автоматизировать процесс технологической подготовки производства изделий методом лазерной стереолитографии.

6. Разработаны алгоритмы и на их основе создано программное обеспечение для автоматизации технологической подготовки производства для установок лазерной стереолитографии, что позволяет до 30% сократить себестоимость получаемых изделий.

7. Выработаны практические рекомендации по оптимизации использования оборудования, реализующего методы послойного синтеза. Их использование позволяет более эффективно использовать ресурс оборудования, более оптимально с точки зрения качества изделий и производительности оборудования выбирать параметры технологического процесса.

Полученные в работе результаты внедрены и используются в работе ОАО «НИИТавтопром», ООО «Инженерная фирма АБ Универсал», Ресурсного центра МАИ в области авиастроения (РЦ МАИ).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Васильев, Федор Владимирович, 2011 год

1. Амиров Ю.Д. Организация и эффективность научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. М.: Экономика, 1974. - 237 с.

2. Безъязычный В.Ф., Леонов Б.Н., Лобанов A.B. Абразивная обработка конструкционных материалов. Учеб. пособие Рыбинск: РГАТА, 1998. - 72 с.

3. Безъязычный В.Ф., Федосеев Д.С., Сафронов A.B. Изготовление деталей машин методом прототипирования: Учебное пособие. Рыбинск: РГАТА им. П. А. Соловьёва, 2011. - 94 с.

4. Бобцова C.B. Исследование и разработка методов использования технологий быстрого прототипирования в приборостроении: Автореферат диссертации . кандидата технических наук: 05.11.14. Санкт-Петербург, 2005.-20 с/

5. Боголюбов В. С. «Формообразующая оснастка из полимерных материалов» М.: Машиностроение, 1979. 178 с.

6. Большаков В.П., Бочков А.Л., Сергеев A.A. ЗГ)-моделирование в AutoCAD, Компас-ЗБ, S olid Works, Inventor, T-Flex: учебный курс . — Москва и др.: Питер, 2011. 328, [3] с.

7. В.И.Горюшкин, В.К.Исаев, О.С.Мурков, О.С.Сироткин, С.В.Скородумов, В.В.Хорощев, А.Г.Василевский. Способ изготовления изделий. Изобретение. Заявка № 4368279/32-05/017266. Пол. решение от 20.10.1988г.

8. Васильев Ф.В. Зачем нужна технология быстрого прототипирования // Литейное производство, "2004. №4

9. Васильев Ф.В. Факторы, влияющие на процесс послойного синтеза методом лазерной стереолитографии. // Труды IX Международного научнотехнического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации", г. Алушта, 2000

10. Васильев- Ф.В. Анализ геометрии модели для процесса лазерной сте— реолитографии. // Труды IX Международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации". г. Алушта, 2000

11. Васильев Ф.В. Толщина слоя как параметр процесса лазерной сте-реолитографии. // Литейное производство, 1999. №7

12. Васильев Ф.В. Влияние технологических факторов на производительность процесса лазерной стереолитографии. // VI Международная научно-техническая конференция "Лазеры в науке, технике, медицине", г. Суздаль. М., 1995

13. Васильев Ф.В., Чеканов В.М. Время изготовления моделей методом лазерной стереолитографии. // Труды IX Международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации", г. Алушта, 2000

14. Васильев Ф.В., Скородумов С.В. Автоматизация технологической подготовки производства для лазерной стереолитографии. // VII Международная научно-техническая конференция "Лазеры в науке, технике, медицине", г. Сергиев По-сад. М., 1996

15. Васильев Ф.В. Выбор ориентации изделия в процессах послойного синтеза. // Труды XVI Международного научно-технического семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации". Г/Алушта, 2007

16. Васильев Ф.В. Автоматизация процесса подготовки моделей для быстрого прототипирования. // Литейное производство, 2004. №4

17. Вейко'В.П., Яковлев Е.Б. и др. Пятилетний опыт эксплуатации первой отечественной ЬОМ-установки «Карат-200» в промышленности. Конференция по лазерным и лазерно-иформационным технологиям. Суздаль, 2001 с. 93

18. Волков С.А., Тимофеев M.B. Системы автоматизированного проектирования в машиностроении: учебное пособие. Рыбинск: РГАТА им. П. А. Соловьева, 2009. - 220 с.

19. Гаврилов А.Н., Скородумов С.В. Моделирование технологических процессов с помощью ЭВМ: Учеб. пособие. М.: МАИ, 1982. - 43 с.

20. Генералов H.A., Кедров А.Ю., Соловьев Н.Г. и др. Установка для лазерного трехмерного синтеза методом послойной склейки. // Конференция по лазерным и лазерно-иформационным технологиям. Суздаль, 2001 с.90

21. Горелов*В.Н., Кокорев И.А. Построение чертежей и Зс1-моделей в системе КОМПАС-Зс1: учебное пособие. Самара: Самарский гос. технический ун-т, 2011.-109 с.

22. Горюшкин В.И. Основы производства деталей машин и приборов. Мн.: Наука и техника, 1984. - 222 с.

23. Горячев В.Ф., Дерюжкова Н.Е. Автоматизация технологических процессов: Учебное пособие. Комсомольск-на-Амуре: КНАГТУ, 2011. - 165, 1.с.

24. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения. -М.: Изд-во стандартов, 1983. Т. 3, с. 87.

25. ГОСТ 2.116-71. ЕСКД. Карта технического уровня и качество продукции. -М.: Изд-во стандартов, 1983. Т: 3, с. 110.

26. Гудлиф П. Ремесло программиста : практика написания хорошего кода. -Санкт-Петербург; Москва: Символ, 2009. 698 с.

27. Гусаков М.А. Эффективная организация процесса «Исследование производство». - М.: Экономика, 1978. - 120 с.| Л1 I III 111Ш11.Ii »KS11 (i t I1.I■1.I mm1.i I

28. Гусева Л.И., Соколова Т.Н. Учет и анализ целевой себестоимости монография. Воронеж: Изд.-полиграфический центр Воронежского гос. унта, 2010. - 118 с.

29. Дорожкина Г.Н., Передереева С.И. Фотополимеризующийся материал на эпоксидной основе для стереолитографии. // Журнал научной и прикладной фотографии, 1999, 44 (6), 11-16

30. Дружинский И. А. Сложные поверхности. JI.: Машиностроение 1985. -168 с.

31. Дымков В.М. Развитие системы планирования и оптимизация себестоимости продукции на предприятиях машиностроения в условиях рынка: автореферат дис. . кандидата экономических наук : 08.00.05. Санкт-Петербург, 2010. - 17 с.

32. Евсеев A.B., Камаев С. В., Коцюба Е. В. и др. Изготовление физических моделей методом стереолитографии. // Автоматизация проектирования, 1999, №2

33. Емельянова А.П. Технология литейной формы. М.: Машиностроение, 1979. 240 е., ил.

34. Ефремова A.A. Разработка олигоэфиракрилатных композиций лазерного отверждения для стереолитографии : Автореферат диссертации . кандидата технических наук : 02.00.16. Казань, 1996.

35. Закревский К.Е., Майсюк Д.М., Сыртланов В.Р. Оценка качества 3d моделей. Москва: Маска, 2008. - 270 с.

36. Иванов А.П. Основы прогрессивной технологии и рациональные методы обработки деталей авиационных двигателей. М.: Машиностроение. 1975; — 374 с.

37. Иванов A.A. Автоматизация технологических процессов и производств: Учебное пособие Москва: Форум, 20П. - 223 с.

38. Иванов В.П., Батраков A.C. Трехмерная компьютерная графика. — М.: Радио и связь, 1995

39. Киреев О.JI. Автоматизация методов контроля качества деталей малого профиля. Санкт-Петербург: БГТУ, 2011. - 139, 1. с.

40. Композиционные материалы: В 8-ми томах. / Пер. с англ. под ред. Л. Браутмана, Р. Крока. М.: Машиностроение, 1978, Т. 3. Применение композиционных материалов в технике. / Под ред. Б. Нотона, 1978. - 511 с.

41. Косенко И.И. Методы геометрического моделирования и виртуального прототипирования. Перспективные технологии монография. Москва: ФГОУВПО "РГУТиС", 2010. - 202 с.

42. Крысин В. Н. Технологическая подготовка авиационного производства. -М.: Машиностроение 1984. 200 с.

43. Ли К., Основы САПР (CAD/CAM/CAE), С.-Пб.: Питер, 2004

44. Литье по выплавляемым моделям / Под редакцией Я.И.Шкленника и В.А.Озерова. М., Машиностроение, 1971. 436 с.

45. Малов И.Е., Шиганов И.Н. Основы послойного синтеза трехмерных объектов методом лазерной стереолитографии: Учебное пособие. Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. - 39 с.

46. Мартынов H.H. Программирование для Windows на C/C++ : Учеб. пособие. -М.: Бином, 2004.

47. Морозов В.В. Исследование и разработка технологических режимов изготовления отливок по выжигаемым моделям, полученных методом лазерной стереолитографии: Автореферат диссертации . кандидата технических наук : 05.16.04. Москва, 2005.

48. Панченко В.Я.; Якунин В.П.; Евсеев A.B.; Марков М.А. Способ отверждения фотополимеризующейся композиции на основе акрилового олигомера путем инициирования полимеризации в установках радиационного отверждения покрытий. Патент РФ 2148060.

49. Программирование алгоритмов обработки данных: Учебное пособие. -СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 188 с.1.III I

50. Рассказова-Николаева С.А. Директ-костинг: правдивая себестоимость. Изд. 2-е, доп. и перераб. Москва: Кн. мир, 2009. - 254 с.

51. Рахмарова М.С., Мирер Я.Г. Влияние технологических факторов на надежность лопаток газовых турбин. М.: Машиностроение, 1966. 223 с.

52. Рихтер Д. Windows для профессионалов Программирование для Windows NT 4 и Windows 95 на базе Win 32 API : Пер. с англ.. М.: Изд. отд. "Рус. редакция" ТОО "Channel Trading", 1997. - 679 с.

53. Рыцев С.Б. Автоматизация проектирования и производства с использованием технологий быстрого прототипирования // «Авиационная промышленность» № 10 с. 90-93. 2000г.

54. Рыцев С.Б. Уровень дизайна весомый аргумент на рынке бытовой техники // Информационный журнал-справочник - 1998 № 8(17) - с.62.

55. Рыцев С.Б,.Витоль Л.Я Создание специализированного производства формообразующих деталей со сложнофасонными поверхностями для КИПр // Информационные технологии в проектировании и производстве 1999. № I с. 62

56. Рыцев С.Б., Кувшинов В.В., Филиппов Е.И. Компактное интеллектуальное производство деталей на базе скоростной технологии контурного послойного синтеза. // Информационные технологии в проектировании и производстве, 2003, №3.

57. Сван Т., Тимофеев В. Программирование для Windows в Borland С++. -М.: Бином, 1995.-479 с.

58. Сергеев А.Г., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация и сертификация учебник для студентов высших учебных заведений Москва: Юрайт, 2011. — 820 с.1.i •

59. Серебреницкий П.П. Краткий справочник технолога-машиностроителя. -Санкт-Петербург: Политехника, 2007. 951 с.

60. Синявин В.Ю., Юрасов A.M., Кузнецов Ю.И. Производственные издержки, себестоимость и ценообразование в системе факторов конкурентоспособности предприятия: учебное пособие. Пенза: Ш НУ им. В. Г. Белинского, 2009. - 19 с.

61. Скородумов. Создание и развитие систем КИПр. // Литейное производство, №7, 1999, с. 28-33

62. Скородумов C.B., Шведова В.В. Среднесрочный прогноз развития технологий быстрого прототипирования. // Изобретатели машиностроению, №1, 1999

63. Скородумов C.B. Создание и развитие систем КИПр / Литейное производство № 7. 1999. с. 28-30

64. Соколов А.П. 'Системы программирования: теория, методы, алгоритмы : учеб. пособие -М.: Финансы и статистика, 2004. 319, 1. с.

65. Стефанцов Е.Е. Технологические методы создания формообразующей оснастки на основе лазерной стереолитографии для деталей приборов широкого назначения: Диссертация . кандидата технических наук : 05.11.14. Москва, 2004.-205с

66. Страуструп Б. Программирование. Принципы и практика использования С++. Москва и др.: Вильяме, 2011. - 1238 с.

67. Строение и свойства авиационных материалов: / Под ред. А. Ф. Белова, В.В. Николенко. -М.: Металлургия, 1989. 368 с.

68. Схиртладзе А .Г., Скворцов A.B. Технологические процессы автоматизированного производства: учебник Москва: Академия, 2011.-398, 1.с.

69. Технология производства летательных аппаратов. В. Г. Кононенко, П. Н. Кучер. Ю. А. Боборыкин и др. М.: Высшая школа, 1974. 219 с.

70. Уайтхаус Д. Метрология поверхностей : принципы, промышленные методы и приборы. Долгопрудный: Интеллект, 2009. - 471 с.

71. Уфимский государственный авиационный технический университет. Автоматизация и управление технологическими и производственными процессами / материалы Всероссийской научно-практической конференции. -Уфа: УГАТУ, 2011. 326 с.

72. Ушаков H.H. Технология производства ЭВМ. М.: Высшая школа, 1991. 416с. Учебник для студентов вузов.

73. Федотова Н.В. Конструирование поверхностей спецмашин с помощью 3d-моделирования учебное пособие. Волгоград: ВолгГТУ, 2011. - 39, 1. с.

74. Фельдштейн Е.Э., Корниевич М.А. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: учебное пособие М.: ИНФРА, 2011 - 263 с.

75. Финогенов К.Г. Прикладное программирование для Windows на Borland С ++. Обнинск: Принтер, 1999. - 287 с.

76. Хартман К. Лецкий Э. Шефер В. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М.: Мир, 1977. 552с.

77. Шамов С.А. Автоматизация подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ в условиях информационно технологической среды : автореферат дис. кандидата технических наук : 05.13.06. - Москва, 2011. - 23 с.

78. Шичков Г. С. Структурные классификации технологического процесса. -Вестник машиностроения, 1990, N2, с. 46-51.

79. Шишковский И.В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезо-структур и объемных изделий. М. Физматлит, 2009

80. Amon, С., Beuth, J., Kirchner, Н., Merz, R., Prinz, F., Schmaltz, К., Weiss, L., "Material Issues in Layered Forming", Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium, The University of Texas at Austin, Texas, August 9-11, 1993, pp. 1-10.

81. Carl Deckard. Multiple material systems for selective beam sintering. US Patent 4944817. 1989

82. Charles W. Hull. Method for production of three-dimentional objects by stereo-lithography. US Patent 4929402. 1990.

83. Dickens, P.M., Pridham, M.S., Cobb, R.C., Gibson, I., Dixon, G., "Rapid Prototyping using 3-D Welding", Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium, The University of Texas at Austin, Texas, August 3-5, 1992, pp. 280-290.

84. Guangshen Xu, Wanhua Zhao, Yiping Tang and Bingheng Lu. Development of a high-resolution rapid prototyping system for small size objects. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. Volume 31, Numbers 9-10, 941947

85. Jack Zhou, Dan Herscovici, Calvin Chen. Parametric Process Optimization to Improve the Accuracy of Rapid Prototyped Stereolithography Parts. International Journal of Machine Tools and Manufacture, No.40, 1-17,1999

86. K.Renap, J.P.Kruth. Recoating issues in stereolithography. Rapid Prototyping Journal, 1995, Vol. 1 Iss: 3, pp.4 16

87. Kochan D. Solid Freeform Manufacturing Advanced Rapid Prototyping. Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam, London, New York, Tokyo 1993

88. Merz, R., "Shape Deposition Manufacturing", Dissertation, Department of Electrical Engineering, Technical University of Vienna, May 1994

89. Michael Feygin. Apparatus and method for forming an integral object from laminations. US Patent 4752352. 1988

90. Michael Fey gin. Apparatus and method for forming an integral object from laminations. US Patent 5354414. 1994

91. Pak S. Laminated Object Manufacturing. // Medical Device & Diagnostics Industry, 1994

92. Paul F. Jacobs. Rapid Prototyping & Manufacturing. Fundamentals of Stereo-Lithography. // Society of Manufacturing Engineers. Dearborn, MI 48121-0930.

93. Paul F. Jacobs. StereoLithography and other RP&M Technologies from Rapid Prototyping to Rapid Tooling. // Society of Manufacturing Engineers. Dearborn, MI 49121.

94. Rapid Prototyping Report, January 1995, Volume 4, Number 1, CAD/CAM Publishing Inc., San Diego, CA.

95. Sachs E., Cima, M., Cornie J., (1990) "Three Dimensional Printing: Rapid Tooling and Prototypes Directly from CAD Representation" Proc. Solid Freeform Fabrication Symposium, The University of Texas at Austin, Aug. 6-8, 27-33.

96. Scott Crump. Apparatus and method for creating three-dimensional objects. US Patent 5121329. 1992

97. The 3D Systems, Inc. Stereolithography Interface Specification. October, 1989.

98. The review of techniques of the Rapid Prototyping & Manufacturing/The publications of an exhibition «EuroMold'95» in Germany (Frankfurt).ттйлшшш вишиmi liiiiii I ii ■■—