Анотація до роботи:

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 створення може 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 шару на 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 формоутворення й інтервалу зміни кута можна істотно (до 8 разів) збільшити значення товщини полімеризованого шару без утрати точності. У свою чергу збільшення значень товщини полімеризованого шару приводить 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.

Публікації автора:

1. Интегрированные технологии ускоренного прототипирования и изготовления / Товажнянский Л.Л., Грабченко А.И., Чернышев С.И., Верезуб Н.В., Витязев Ю.Б., Кнут Х., Лиерат Ф. / Под. ред. Л.Л. Товажнянского и А.И. Грабченко. – Харьков: ОАО «Модель Вселенной», 2002. – 140 с.

Здобувачем виконано аналіз ролі генеративних технологій в реалізації задач прискореного формоутворення і технологічних особливостей існуючих способів.

2. Витязев Ю.Б. Методика расчета точности детали для процесса стереолитографии // Резание и инструмент в технологических системах. – Харьков: НТУ "ХПИ". – 2002. – Вып. 62. – С. 21-23.

3. Титаренко О.В., Витязев Ю.Б., Грабченко А.И. Сравнение качества поверхности прототипов, создаваемых с помощью методов Rapid Prototyping // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". – Харків: НТУ "ХПІ". – 2002. – №9, т. 11. – С. 83-90

Здобувачем виконано порівняльний аналіз методів Rapid Prototyping щодо точності розмірів, форми та шорсткості.

4. Витязев Ю.Б. Модели оптимальной ориентации изделий при их изготовлении методами ускоренного формообразования // Високі технології в машинобудуванні. – Харків: НТУ "ХПІ". – 2003. – Вип. 2. – С. 147-152.

5. Витязев Ю.Б., Верезуб Н.В., Граница В.А. Расширение возможностей технологии ускоренного прототипирования и изготовления деталей // Технологические системы. – Киев. – 2003. – Вып. 2(18). – С. 8-15.

Здобувачем розроблено експериментально-аналітичну модель, алгоритм, програмний пакет управління технологічним процесом лазерної стереолітографії, який дозволяє мінімізувати тривалість побудови об’єкту при забезпеченні заданих параметрів якості.

6. Таран Б.П., Витязев Ю.Б., Тринева Т.Л. Реальное применение стереолитографии в литейном производстве // Процессы литья. – Киев. – 2003. – Вып. 4. – С. 44-46.

Здобувачем сформульовано комплекс умов, необхідних для застосування стереолітографії при реалізації „Модельного модуля”, який об’єднує в одному блоці модель з підмодельною плитою та стрижевим ящиком.

7. Чернышов С.И., Витязев Ю.Б., Грабченко А.И., Верезуб Н.В. Классификация генеративных технологий по формообразующим и технологическим признакам // Високі технології в машинобудуванні. – Харків: НТУ "ХПІ". – 2004. – Вип. 1. – С. 106-112.

Здобувачем отримано функціональні залежності величини елементарного точкового об’єму від формоутворюючих параметрів процесу лазерної стереолітографії.

8. Чернышев С.И., Витязев Ю.Б., Грабченко А.И., Верезуб Н.В. Технология изготовления деталей методом ускоренного формообразования // Прогрессивные технологии в машиностроении. – Запорожье-Киев. – 2002. – С. 87-93.

9. Чернышов С.И., Грабченко А.И., Витязев Ю.Б., Верезуб Н.В. Технология производства деталей на основе метода стереолитографии // Тези доп. міжнар. наук.-практ. конф. "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я". – Харків: НТУ "ХПІ". – 2002. – С. 130-131.

10. Витязев Ю.Б. Анализ макропогрешностей при изготовлении деталей методом стереолитографии // Тези доп. міжнар. наук.-практ. конф. "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я". – Харків: НТУ "ХПІ". – 2003. – С. 135.

11. Витязев Ю.Б. Оптимальная ориентация деталей при использовании генеративных технологий // Тез. доп. мижнар. науч.-практ. конф. "Высокие технологии: тенденции развития". – Алушта: НТУ "ХПІ". – 2003. – С. 11.

12. Витязев Ю.Б., Чернышов С.И. Верификация изделий лазерной стереолітографії и их 3D –моделей // Тези доп. міжнар. наук.-практ. конф. "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я". – Харків: НТУ "ХПІ". – 2004. – С. 103.