НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

разработка компьютерной модели кронштейна

и его програмная подготовка для выращивания на установке лазерной стереолитографии

Смирнов Сергей Владимирович

средняя школа № 1271, 11 класс

Научный руководитель:

Малов Илья Евгеньевич,

кандидат технических наук,

доцент кафедры «Лазерные технологии в машиностроении»

МГТУ им. Н.Э.Баумана

Введение

В настоящее время назрела необходимость в технологиях, обеспечивающих в кратчайшие сроки выпуск продукции небольшими сериями или в единичном экземпляре и мгновенно реагирующих на изменение спроса потребителя.

Бурное развитие компьютерной техники позволило максимально облегчить и автоматизировать процессы проектирования и существенно сократить их сроки. Разработаны различные методы получения трехмерных компьютерных моделей как реально существующих объектов, так и вновь разрабатываемых, которые получили название методы быстрого прототипирования.

Видное место среди этих методов занимает лазерная стереолитография. Она позволяет получать наиболее сложные и точные образцы из полимера. Суть ее состоит в послойном изготовлении объектов из отверждаемых лазерным излучением жидких полимерных композиций.

Технология включает в себя разбиение исходной компьютерной модели на тонкие слои и их последовательное воспроизведение лазерным лучом на поверхности жидкой фотополимеризующейся композиции. В облученной области образуется пленка твердого полимера. Последовательное формирование слоев (каждого последующего поверх предыдущего) позволяет в результате получить пластиковую копию исходной компьютерной модели.

Лазерная стереолитография позволяет получать как крупногабаритные, так и миниатюрные изделия со сложной геометрией. Недостатком технологии является высокая цена оборудования и расходных материалов. Однако возможность изготовления тонкостенных фотополимерных моделей, какой является рассматриваемая  деталь – кронштейн, позволяет активно применять данную технологию в автоматизированном проектировании.

Процесс подготовки компьютерной модели к ее выращиванию на установке лазерной стереолитографии состоит из нескольких основных этапов:

1)     Создание компьютерной модели при помощи стандартных программ трехмерного моделирования таких, как: AutoCAD, T-FLEX, Solid Works, Unigraphics, Euclid, Компас, Графика и др.

2)     Сохранение модели в стереолитографическом формате STL.

3)     Подготовка модели в специальной программе подготовки данных для послойного синтеза.

4)     Конвертация полученных данных в вид воспринимаемый конкретной стереолитографической установкой.

На примере детали кронштейн рассмотрим ее моделирование в программе Solid Works и обработку в специальных программах для последующего выращивания на установке лазерной стереолитографии:

1. Создание основания

Первым элементом детали является основание. Начнем с создания его эскиза. Для этого рисуем произвольный восьмиугольник.

Затем проводим четыре окружности, задаем касательность двух верхних окружностей с ближайшими прилегающими сторонами, задаем радиус окружностей и отрезаем ненужные линии. Для двух нижних окружностей задаем касательность между одной прилегающей стороной, проводим ось симметрии и ставим точки на расстоянии 20 мм от нее, задавая касание окружности и этих точек. По аналогии – отрезаем лишние линии.

Задаем размеры для этой фигуры так, чтобы эскиз был полностью определен, т.е. положения данной фигуры полностью описаны с помощью размеров или взаимосвязей, или тех и других одновременно. Если все сделано правильно, то восьмиугольник должен почернеть. Затем создаем основание путем вытяжки нарисованного эскиза на 2 мм:

2. Создание основного тела

Далее формируем основное тело детали в виде квадрата. Для этого, выбрав переднюю грань основания, создаем на ее поверхности эскиз данной фигуры. В углах квадрата делаем скругления, коррадиальные со скруглениями основания. Задаем совпадение нижней стороны квадрата с нижним ребром основания.

После этого на передней грани тела, используя команду «Бобышка-Вытянуть», вытягиваем полученный эскиз на заданное расстояние при этом задаем наклон боковых граней на 3°:

3. Создание тонкостенного корпуса детали

Используя команду «Оболочка» преобразуем тело детали в оболочку с постоянной толщиной стенок 2 мм. При этом удаляются задняя и нижняя грани основания и нижняя грань основного тела детали, и в детали образуется полость:

4. Создание бобышек

Создаем дополнительные элементы детали. Одними из таких элементов являются приливы для крепления на нижней внутренней грани оболочки. Создаем эскиз двух квадратов внутри оболочки. Задаем размеры и взаимосвязи, по аналогии рисуем другой квадрат в противоположном углу.

Теперь создаем из этих квадратов бобышки при помощи команды «Бобышка-Вытянуть»:

5. Создание вырезов

Сначала при помощи команды «Создать плоскость» для последующих вырезов необходимо построить три плоскости. Затем создаем эскиз будущего выреза в виде симметричной трапеции. Для этого создаем эскиз на верхней плоскости бобышки и проводим ось симметрии по центру детали и рисуем трапецию. Далее делаем вырез при помощи команды «Вырез – Вытянуть», «до точки». По аналогии строим такие же вырезы по бокам:

После этой операции нужно создать эскиз окружности на передней грани детали. Для этого необходимо в центре квадрата обозначить две оси симметрии и точку их пересечения, затем нарисовать окружность заданного радиусам с центром в данной точке. После этого создаем вырез при помощи команды «Вырез – Вытянуть», «на всю глубину»:

Следующим шагом является создания двух вырезов в виде окружностей. Для этого создаем эскиз на передней плоскости детали, проводим осевые линии и получаем среднюю точку, соединяя которую с начальной точкой получаем диагональ квадрата. Затем рисуем на этой линии две окружности и задаем размеры, после чего создаем вырезы.

Далее на передней грани основания рисуем эскиз трех будущих отверстий. Одно, из которых является цилиндрическим, а два других представляют собой прорези с закруглениями радиусом 3 мм. Центр цилиндрического отверстия привязываем к горизонтальной осевой линии и относительно этой линии задаем симметричность скруглений данного отверстия. Наклон прорезей (45°) задаем при помощи размера. После этого, применяя команду «Вырез – Вытянуть», «на всю глубину» к полученному эскизу, создаем необходимые вырезы:

.

6. Создание двух бобышек

Для получения двух бобышек в форме окружностей создаем эскиз, на котором строим осевые линии. Проводим вторую диагональ квадрата, задаем угол 45° между этой диагональю и вертикальной осью. Рисуем на диагонали квадрата две окружности, обозначаем размеры. При помощи команды «Бобышка – Вытянуть» вытягиваем эти две окружности на заданное расстояние:

7. Скругление кромок

Скругление угловых кромок детали, выполненных одинаковым радиусом, можно создавать как единый элемент. Если необходимо добавить скругления для других острых кромок детали, можно использовать диалоговое окно «Скругление».

Ассоциация стереолитографов приняла в качестве официального формата для сохранения стереолитографических компьютерных моделей формат STL. Конечным результатом построения является трехмерная компьютерная модель, сохраненная в STL формате представленная совокупностью ориентированных в пространстве треугольников, которые без разрывов покрывают поверхность объекта. STL формат первоначально разработан для применения в стереолитографических машинах быстрого прототипирования. Согласно ему поверхность произвольной формы представляется в виде треугольников, примыкающих друг к другу ровно одной стороной. Помимо этого, например, в программе Solid Works деталь можно сохранять в данном формате с выбором разного качества (высокого и низкого).

Деталь в STL формате

Следующим шагом является обработка данного кронштейна в программе «Magicks», которая предназначена для подготовки компьютерных моделей трехмерных деталей к выращиванию на различных установках быстрого прототипирования.

В случае получения детали методом лазерной стереолитографии подготовка компьютерной модели разбивается на следующие основные этапы:

1.      Открытие детали в программе «Magicks»

2.      Выбор из списка требуемой стереолитографической установки.

3.      Вывод изображения платформы на экран монитора, при помощи кнопки «Платформа».

4.      Размещение детали на стереолитографической установке. Теперь нужно разместить деталь в центре платформы на расстоянии 10 мм от ее поверхности, нажав кнопку «Translate».

5.      Разбиение детали на слои. Следующим шагом является разбиение рассматриваемой детали на горизонтальные слои с шагом 50 мм вдоль вертикальной оси, сохраняя их в формате CLI. Толщина слоя определяется заданной шероховатостью, т.е. максимальным расстоянием от ступеньки до истинной поверхности изделия.

6.      Генерация подпорок. Если при выращивании изделия из фотополимеризующейся композиции текущий слой выступает за предыдущий на величину, большую некоторого критического значения, и не имеет под собой твердой опоры, то он может провиснуть. Чтобы избежать этого, необходимо существующую модель дополнить подпорками. Для этого нужно, во-первых, выделить в модели участки возможного провисания, во-вторых, найти оптимальное расположение подпорки, в-третьих, построить саму подпорку.

Подпорки выполняют следующие функции:

1)     Снижение риска повреждений детали при отделении ее от платформы.

2)     Компенсация неровностей платформы выращивания.

3)     Устранение провисания или прогиба детали и ее элементов.

4)     Удержание детали на платформе выращивания.

Чтобы сгенерировать подпорки необходимо следующее: с помощью кнопки «Генерация подпорок» их следует сгенерировать, выбрав формат CLI.

Следует заметить, что в этой программе имеется выбор удобной формы подпорок (блок, точка, контур, линейный, паутина, частый, комбинация). В нашем случае, рациональнее всего выбрать комбинированный тип.

Вид подпорок сделанных в программе «Magicks».

7.      Сохранение информации в виде отдельных файлов в формате CLI, при помощи команды «Export».

8.      Подсчет времени выращивания детали на рассматриваемой установке. Используя кнопку «Подсчет времени» подсчитываем время выращивания детали на установки. В конкретном случае оно составляет 6 час. 15 мин.

9.      Оценочный денежный расчет модели. Производим денежный расчет детали исходя из удельной стоимости выращивания, при помощи команды «Оценка стоимости детали». В данном конкретном случае это составляет 7$ при стоимости 1 гр. равного 1$.

Последним шагом является конвертация данных в формат, воспринимаемый системой, управляющей лазерной стереолитографической установкой. Конвертацию данных так же, как и другие операции нужно осуществлять поэтапно. Сначала нужно открыть окно конвертора. В окнах «Файл формы» и «Файл подпорок» нужно указать путь к файлу со слоями и к файлу с подпорками, сгенерированных программой «Magics». Также следует задать мощность лазера, при выращивании контура, в окне «Мощность лазера». Следует отметить, что мощность лазера влияет на время выращивания детали, причем каждый слой элемента детали будет выращиваться с определенной мощностью. По окончанию всех вышеперечисленных операций нужно произвести конвертацию данных при помощи команды «конвертировать» в формат pcf.Файл с расширением pcf, вводится в систему управления установкой, после чего осуществляется процесс выращивания.

Рассмотренный в данной работе алгоритм программной подготовки данных для лазерной стереолитографии является универсальным и применим к большинству машиностроительных деталей, ювелирных изделий и т.д.