Технологические методы создания формообразующей оснастки на основе лазерной стереолитографии для деталей приборов широкого назначения

Актуальность работы. Основополагающими факторами успеха предприятий в конкурентной борьбе являются высокие потребительские качества выпускаемой продукции, ее надежность при эксплуатации, непрерывное совершенствование производственного процесса.

Методы формообразования деталей в приборостроении, как и в других отраслях, являются определяющими, т.к. от них зависят конфигурация, размеры и качественные показатели деталей. Многономенклатурное, интенсивно развивающееся производство требует сокращения сроков освоения выпуска новых деталей. Особую актуальность приобретает ускорение процессов проектирования и изготовления технологической оснастки для формования деталей. Желательно сразу переносить результаты автоматизированного проектирования в виде геометрических моделей поверхности изделия на формообразующие элементы оснастки (ФЭО), минуя длительные и трудоемкие этапы изготовления макетов и мастер-моделей.

Оперативно решать задачи обновления конструкции и номенклатуры изделий с целью обеспечения их конкурентоспособности, достижения технико-экономической рентабельности можно путем разработки прогрессивных технологических процессов проектирования и изготовления формующего инструмента, позволяющих с наибольшей эффективностью использовать достоинства быстро переналаживаемой оснастки, существенно снизить затраты на подготовку производства новых деталей и перейти от традиционных производственных систем для крупносерийного производства продукции к компьютеризированным производственным системам нового поколения для мелкосерийного производства высокотехнологичной продукции.

Выбор способа изготовления оснастки для мелкосерийного производства деталей имеет важнейшее значение и оказывает большое влияние на его технико-экономические показатели. Так на проектирование и изготовление формообразующей оснастки может затрачиваться до 90% времени и 80% трудоемкости от общих затрат на техническую подготовку производства (Т1111) новых деталей. В то же время, производство деталей в современном приборостроении носит преимущественно мелкосерийный характер, что требует создания малооперационных технологических процессов на базе нового оборудования, которое сочетает широкую универсальность с высокой производительностью.

Анализ существующих методов изготовления формообразующей оснастки показал, что для повышения эффективности Т1111 деталей целесообразно использовать новые перспективные методы технологии послойного синтеза (ТПС) — лазерную стереолитографию и др. Совместное применение системы автоматизированного проектирования (САПР) -трехмерного 3D геометрическго моделирования и технологического процесса лазерной стереолитографии особенно эффективно при изготовлении ФЭО, т.к. позволяет повысить качество, снизить затраты и провести подготовку производства изделий в сжатые сроки.

В настоящее время на базе технологических лазеров ультрафиолетового (УФ) диапазона и систем числового программного управления (ЧПУ) разработаны стереолитографические установки, а также адаптированные к УФ-излучению жидкие фотополимеризующиеся композиции (ЖФПК). Однако требуют своего решения технологические задачи получения деталей приборов и других изделий сложной формы, отвечающих заданным техническим требованиям, повышения производительности ТП, оптимизации технологических параметров и режимов обработки деталей, снижения трудовых, материальных и временных затрат, раскрытия ноу-хау при использовании импортного оборудования путем формирования базы технологических знаний по послойному синтезу деталей методом лазерной стереолитографии.

В связи с этим представляется весьма актуальной задача исследования технологических особенностей метода лазерной стереолитографии для получения новых технологических знаний, т. е. установления и систематизации данных о наиболее важных закономерностях процесса послойного синтеза и технических средствах, применяемых для получения деталей с требуемыми свойствами, разработки ТП оперативного изготовления ФЭО, выполнения экспериментальных исследований и осуществления ТП на практике.

Цель работы. Одной из важнейших задач современного приборостроения является разработка и внедрение новых ТП и материалов, обеспечивающих повышение качества изделий. Ее решение одновременно с повышением технико-экономических показателей производства возможно путем разработки прогрессивных ТП изготовления деталей, главенствующую роль в которых играют процессы проектирования и изготовления формующего инструмента для получения деталей из полимерных и композиционных материалов.

Исследование закономерностей процесса лазерной стереолитографии и разработка на этой основе методик расчета технологических параметров формообразования деталей данным методом обеспечивает оперативное получение ФЭО с заданными эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести исследования закономерностей процесса лазерной стереолитографии, выделив свойства ЖФПК и параметры процесса формообразования деталей данным методом, таким образом получить новые технологические знания,.

2) разработать, обосновать теоретически и экспериментально математическую модель процесса лазерной стереолитографии, отражающую взаимосвязь технологических свойств ЖФПК с технологическими параметрами процесса синтеза деталей;

3) разработать структуру технологического процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для ускоренного производства малых партий деталей из полимерных материалов. Научную новизну работы представляют:

— результаты комплексного исследования процесса лазерной стереолитографии;

— математическая модель процесса лазерной стереолитографии, описывающая взаимосвязь между технологическими свойствами ЖФПК, технологическими параметрами процесса послойного синтеза, техническими характеристиками оборудования и эксплуатационными характеристиками изготавливаемой детали;

— методика расчета технологических параметров процесса лазерной стереолитографии, обеспечивающих изготовление деталей с заданными эксплуатационными характеристиками (точностью размеров и формы, геометрической стабильностью, жесткостью);

— алгоритм (функциональная модель) процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для мелкосерийного производства деталей из полимерных материалов.

Практическая значимость работы и предлагаемых технических решений заключается в разработке:

— методики расчета технологических параметров лазерной стереолитографии, позволяющей в аналитическом виде описать процесс формообразования под воздействием управляемого лазерного излучения УФ-диапазона и обеспечивающей получение стереолитографических моделей (СЛ-моделей) с заданными свойствами;

— технологических способов снижения остаточных усадочных напряжений в процессе формообразования деталей, обеспечивающих стабильность размеров и формы;

— методики повышения точности размеров и уменьшения шероховатости поверхности СЛ-моделей;

— способа снижения градиента степени конверсии олигомера в объеме детали, обеспечивающего повышение межслоевой прочности и изотропию свойств фотополимера;

— функциональной модели ТП изготовления ФЭО с подбором средств оснащения, обеспечивающих оперативное изготовление ФЭО и, соответственно, ускорение процессов ТПП изделий приборостроения.

Автор защищает:

— методику расчета технологических параметров и результаты моделирования процесса послойного формообразования деталей из ЖФПК методом лазерной стереолитографии;

— результаты анализа технологических закономерностей формообразования деталей из ЖФПК методом лазерной стереолитографии;

— результаты теоретических и экспериментальных исследований точности и производительности метода лазерной стереолитографии;

— результаты экспериментального исследования влияния технологических и эксплуатационных факторов на точность размеров, формы и физико-механические характеристики СЛ-моделей;

— функциональную модель сквозного технологического процесса проектирования и изготовления ФЭО с использованием стереолитографических мастер-моделей.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, 1998 г.), на Международном научно-практическом симпозиуме «Современные технологии быстрого прототипирования и производства» (Москва, 1999 г.), на Международной молодежной научной конференции «Гагаринсьсие чтения» (1998;2001 г. г.).

Основные выводы.

1. В результате анализа методов изготовления формообразующей оснастки показано, что для повышения их эффективности необходимо использовать методы быстрого прототипирования на базе послойного синтеза деталей сложной формы. Исследование технико-экономических характеристик ТПС показало, что по совокупности показателей ведущим методом быстрого прототипирования является метод лазерной стереолитографии.

2. Исследование метода лазерной стереолитографии позволило определить его технологические характеристики, провести классификацию факторов, оказывающих влияние на качество и производительность процесса изготовления СЛ-моделей, а также разработать математическую модель процесса лазерной стереолитографиии, отражающую взаимосвязь технологических свойств ЖФПК с параметрами процесса синтеза деталей под воздействием управляемого лазерного излучения. УФ-диапазона.

3. На основе разработанной математической модели создана методика расчета технологических параметров процесса формообразования, позволяющая в аналитическом виде описать процесс синтеза СЛ-моделей, что позволяет на практике достигнуть следующих преимуществ перед традиционными ТП изготовления формующей оснастки: снизить трудоемкость изготовления ФЭО в 1,5−3 раза (в зависимости от сложности детали) — снизить на 20−30% стоимость изготовления ФЭО и общие затраты на ТППсократить в 3−5 раз период времени ТПП деталей из ПМуменьшения в 1,5−2 раза себестоимости производства деталей из ПМ, что имеет существенное значение для приборостроения.

4. Экспериментальными и теоретическими исследованиями показано, что на точность и производительность процесса лазерной стереолитографии оказывают влияние следующие факторы: расположение детали в рабочей зоне (выбор технологических баз) — усадка ЖФПК при фотоотверждении и коробление деталей при дополнительной УФ-обработке (дополимеризации) — точность Х-У-сканирования луча лазера и позиционирования платформыхарактеристики лазерного излучения и фокусирующей оптики (интенсивность, значение энергетической экспозиции, диаметр фокусного пятна) — толщина фотополимеризуемого слоя (с учетом перекрытия смежных слоев).

5. Геометрическая стабильность и точность СЛмоделей существенно зависит от типа ЖФПК, завершенности процесса фотополимеризации, воздействия окружающей среды. Повышения стабильности формы и точности размеров, уменьшения шероховатости поверхности синтезируемых моделей, снижения градиента степени конверсии олигомера в их объеме и величины остаточных усадочных напряжений в процессе формообразования можно добиться, применяя разработанные в диссертации рекомендации по выбору величины перекрытия и толщины полимеризуемых слоев, учету усадки ЖФПК и припуска на последующую доработку модели, а также приемы, обеспечивающие свободное протекание в фотополимере химической усадки.

6. Разработана функциональная модель, описывающая ТП оперативного проектирования и изготовления ФЭО по СЛ-моделям, взаимодействие ее составных элементов. На основе этой модели предложена структура сквозного (по принципу передачи и обработки информации) технологического процесса проектирования и изготовления ФЭО, характеризующаяся рациональным использованием производственных ресурсов и позволяющая приступить к практической реализации технологии оперативного изготовления ФЭО с использованием СЛ-моделей и решить поставленную в работе актуальную научно-техническую задачу.