Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

СОЗДАНИЕ МАСТЕР-МОДЕЛЕЙ ПОСЛОЙНЫМ СИНТЕЗЕМ ФОТОПОЛИМЕРА

Шумков А.А. 1
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Рассмотрен метод получения мастер-моделей (RP-прототипов) послойным синтезом для литья по выжи-гаемым моделям методом стериолитографии по технологии цифровой обработки светом (Digital Light Processing). Определена возможность получения моделей с внутренней регулируемой ячеистой структу-рой в виде типовой элементарной ячейки Вигнера–Зейтца. В качестве исходного материала использован сшитый фоточувствительный полимер Envisiontec SI500. В данной работе спроектирована компьютерная 3D модель в STL формате и получен опытный образец, представляющий собой оболочку, заполненную регулируемой ячеистой структурой. Определены оптимальные режимы засветки и толщина засве-чиваемого слоя образца, с помощью которых можно регулировать размеры перемычек ячеистой структуры. Наличие в модели структуры в виде массива ячеек в дальнейшем позволит в разы сократить объем используемого материала и снизить давление на керамическую оболочку при его удалении.
цифровая обработка светом
синтез-модели
ячеистая структура
фотополимер
мастер-модель
1. Васильев В.А., Морозов В.В. Изготовление стальных отливок по фотополимерным моде-лям путем выжигания их в литейной форме / Межд. НТК «Современные проблемы метал-лургического производства». Сб. труд. – Волгоград. 2002. – С. 336–337.
2. Васильев В.А., Морозов В.В., Шиганов И.Н. Использование методов послойного форми-рования трехмерных объектов в литейном производстве// Вестник машиностроения. 2001. — № 2. — С. 4–11.
3. Евсеев А.В. Оперативное формирование трехмерных объектов методом лазерной стерео-литографии [Текст]/ А.В. Евсеев, В.С. Камаев, Е.В. Коцюба и др. // сб. трудов ИПЛИТ РАН. – С. 26–39.
4. Зленко М.А. Аддитивные технологии в машиностроении [Электронный ресурс]: учебное пособие для вузов по направлению подготовки магистров «Технологические машины и обо-рудование» / М.А. Зленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина. [СПб., 2013] URL:http://dl.unilib.neva.ru/dl/2/3548.pdf
5. Зленко М. Технологии быстрого прототипирования – послойный синтез физической копии на основе 3D-CAD-модели // CAD/CAM/CAE Observer. 2003. № 2 (11). С. 2–9.
6. Скородумов С.В. Технологии послойного синтеза при создании объемных моделей для заготовительного производства. // Вестник машиностроения. – 1998. – № 1. – С. 20–25.
7. S.O. Onuh., Y.Y. Yusuf. Rapid prototyping technology: applications and benefits for rapid prod-uct development. // Journal of Intelligent Manufacturing. 1999. V. 10. PP. 301 – 311.
Современные системы трехмерного компьютерного проектирования позволяют значительно сократить затраты времени и средств на разработку и конструирование новых деталей [3]. Переход на цифровое описание изделий – CAD и появившиеся вследствие его RP-технологии (RP-технологии быстрого прототипирования) произвели настоящую революцию в литейном производстве, особенно это проявилось в высокотехнологичных отраслях промышленности – авиационной и аэрокосмической области, атомной индустрии, медицине и приборостроении [4, 5].Уход от традиционных технологий, применение новых методов получения литейных синтез-моделей за счет технологий послойного синтеза  фотополимерного материала дали возможность радикально сократить время на создание новой продукции, улучшить качество, точность литых деталей и уменьшить отбраковку [7].

Наиболее широко RP-прототипы используются в качестве литьевых выплавляемых моделей в литейном производстве для получения высокоточных и геометрически сложных металлических отливок [2, 6]. Использование RP-моделей в качестве выжигаемых моделей в технологических процессах литья позволяет получать геометрически сложные металлические отливки с точностью не менее 12 квалитета и шероховатостями поверхностей в среднем 7Ra. Однако применение синтез-моделей (RP-прототипов) зачастую сопровождается растрескиванием и последующим разрушением литейной формы на стадии высокотемпературного удаления модельной массы.

Основная причина разрушения керамических форм в процессе удаления литьевой модели связана с различием термомеханических свойств керамической оболочки и материала прототипа [1]. Один из способов снижения контактных напряжений между литьевой моделью и керамической формой в процессе теплового воздействия заключается в замене монолитной модели на модель эквивалентной формы, представляющей собой оболочку с ячеистым заполнителем внутренней полости в качестве несущего каркаса, препятствующего потере устойчивости оболочки от воздействия остаточных напряжений. Проектирование таких синтез-моделей включает выбор формы и геометрических параметров ячейки, обеспечивающих, с одной стороны, минимальный уровень контактных напряжений, а с другой — сохранение заданных параметров точности полимерной модели на всем протяжении процесса изготовления и формования.

Целью данной работы является исследование возможности получения RP-прототипов с внутренней регулируемой структурой в виде ячеек типа Вигнера–Зейтца.

Материалы и методы исследования

В качестве исходного материала использован сшитый полимер Envisiontec SI500, который применяется в процессе стереолитографии. Для получения опытных образцов с регулируемой внутренней структурой в данной работе  использован технологический процесс стериолитографии, схема которого представлена на рисунке 1. Основным отличием от классической стериолитографии являются уход от использования схемы с лазером для инициирования реакции фотополимеризации и замена его на несколько цифровых видеопроекторов, использующих технологию Digital Light Processing (DLP). Разработчиком данной технологии является компания Enviziontec (Германия). В качестве исходного материала для создания модели используется акриловый фотополимер. Суть процесса заключается в использовании «маски» каждого текущего сечения модели, проецируемой на рабочую платформу через специальную систему зеркал очень малого размера с помощью прожектора (содержащего две лампы с высокой яркостью света). Платформа после засветки слоя опускается ровно на толщину следующего слоя в ванну с жидким полимером. Формирование и засветка видимым светом каждого слоя происходят относительно быстро. Этим объясняется высокая скорость построения моделей (в среднем 1 см в час по высоте при шаге построения 50 мкм).

Рис. 1. Схема работы стереолитографической машины  с применением технологии DLP: 1 – проектор; 2 — фотомаска; 3 – механизм выравнивания полимера; 4 – ванна с жидким полимером; 5 – опускаемое основание; 6 – модель из отвержденного полимера

           При использовании шага в 25 мкм на моделях практически отсутствуют характерные для всех технологий послойного синтеза ступеньки от слоев. Такая возможность позволяет получать изделия с высоким качеством поверхности с шероховатостью до Ra0,1 и точностью размеров  до 0,1 мм.

           Результаты исследования и их обсуждение

Для получения опытных образцов с внутренней регулируемой структурой использовалась установка Envisiontec Perfactory XEDE. Были проведены работы по моделированию образца, представляющего собой оболочку с толщиной стенки 0,5 мм, заполненную ячеистой регулируемой структурой (рис. 3). Для заполнения внутреннего объема образца использовалась элементарная единичная ячейка Вигнера–Зейтца, представляющая  собой в STL-файле массив. Эксперименты проводились при различных параметрах времени засветки образца каждого последующего полимеризующегося слоя от 6,5 до 18 с.

Рис. 3. CAD-модель оболочки куба, заполненная ячеистой структурой

              В результате проведенной работы был получен опытный образец с толщиной стенки оболочки 0,5 мм, заполненной ячеистой структурой из фотополимерного материала SI500 (рис. 4). Время засветки каждого слоя 18 с (как оболочки, так и ячеистой структуры с толщиной перемычки 0,5 мм).

 

Рис. 4. Опытный образец с организованной ячеистой структурой

             Варьируя параметрами засветки слоя полимеризующегося материала, возможно получение ячеек с толщиной перемычки в диапазоне размеров от 0,12  до 0,5 мм.

           Заключение

Установлена технологическая возможность развития технологии получения сложных геометрических объектов с внутренней регулируемой ячеистой структурой. Потенциальное применение данной технологии возможно в литейном производстве, а именно в литье по выжигаемым моделям. С помощью замены монолитной мастер-модели на модель, представляющую оболочку с внутренней регулируемой структурой в виде ячеек, можно уменьшить давление выжигаемого модельного состава на керамическую форму путем подбора толщины оболочки, формы и размеров ячеек.

Рецензенты:

Сиротенко Л.Д., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь;

Ханов А.М., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь.

 


Библиографическая ссылка

Шумков А.А. СОЗДАНИЕ МАСТЕР-МОДЕЛЕЙ ПОСЛОЙНЫМ СИНТЕЗЕМ ФОТОПОЛИМЕРА // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=20538 (дата обращения: 15.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252