Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

CREATING A MASTER - MODEL LAYER BY LAYER SYNTHESIS PHOTOPOLYMERS

Shumkov A.A. 1
1 Perm National Research Polytechnic University
The method of obtaining a master - models (RP - prototypes) stratified synthesis for investment casting method steriolithography technology Digital Light Processing (Dig-ital Light Processing). The determination of eligibility models with adjustable internal cellular structure in the form of a model of the unit cell of the Wigner - Seitz. The starting material used a crosslinked photosensitive resin Envisiontec SI500. In this paper we designed a computer 3D model in STL format, and produced a prototype, which is a shell filled with a controlled cellular structure. Determination of the optimal exposure modes and layer thickness illuminates the sample, with which you can adjust the size of the jumpers cellular structure. The presence of a model of the structure in the form of an array of cells in what follows, will allow, at times reduce the amount of material used and reduce the pressure on the ceramic shell when it is removed.
digital light processing
synthesis - models
cellular structure
photopolymer
master model
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.