Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
ГРНТИ 50.43 Системы автоматического управления, регулирования и контроля
В последние годы методы послойного синтеза изделий-прототипов, который входит в аддитивные технологии сформировали принципиально новое направление в технологии, где необходимо изготовить опытные, единичные, эксклюзивные и уникальные образцы изделий. Коренное отличие этих методов заключается в том, что готовая деталь получается не путем снятия слоя материала с заготовки, как это принято в традиционных способах обработки, а за счет послойного наращения материала с одновременным получением заданной формы и размеров изделия. При этом главная особенность этих способов заключается в обязательном применении трехмерного компьютерного проектирования изделия как исходного этапа технологии послойного синтеза. Применение данных технологий особенно перспективным видится в сфере производства корпусных элементов радиоэлектронной аппаратуры ввиду способности учитывать специфику оборудования. Использование аддитивных технологий обеспечивает повышение эксплуатационных показателей и уменьшение влияние форм-фактора корпуса на этапе производства. Дополнительным преимуществом аддитивной установки является то, что при изготовлении преформы не требуются прибегать к сторонним технологическим решениям в виде вырезки, вытачивания, сваривания, что требует дополнительного оборудования и привлечения квалифицированных специалистов. С помощью моделирования механизмов работы 3D принтеров можно обеспечить полностью автоматическое производство преформы, имея аддитивную установку. А управление технологическим процессом аддитивного производства позволит обеспечить качество итогового изделия.
контроль, обеспечение качества, аддитивные технологии, аддитивная установка, моделирование процессов
Введение
Моделированием можно назвать замену одного предмета другим. Процесс моделирования состоит из трёх элементов: субъект (исследователь), объект и модель, отражающая связь объекта и субъекта. Модель должна быть в какой-то мере схожа к исследуемому объекту и учитывать его особенности, что необходимо использовать в аддитивном производстве. Имитационные модели разрабатываются при помощи специального программного обеспечения, в котором используются различные языки моделирования.
Аддитивные технологии на сегодняшний день одни из наиболее динамично развивающихся видов "цифрового" производства. Они позволяют добиться ускорения решения задач подготовки и настройки производства и уже активно применяются и для производства готовой продукции.
1. Аддитивное оборудование применяемое в послойном синтезе
Установки с несколькими экструдерами дают возможность производить несколько идентичных объектов лишь по одной цифровой модели, но в то же время дозволяют использование различных материалов и цветов с различными свойствами. Скорость печати и синтеза вырастает пропорционально количеству печатающих головок. Кроме того, достигается определенная экономия полимеров и временных ресурсов за счет использования общей рабочей камеры, зачастую требующей подогрева. Вместе, эти два момента снижают себестоимость процесса печати. Но требует обеспечения контроля температурных режимов печати которое целесообразно осуществлять посредством системы допусков, базируясь на датчиках аддитивной установке.
Для обеспечения качества процесса построения физической модели объекта необходимо построить модель функционирования 3D принтера в системе в системе Abaqus
Unified FEA.
Это простой симулятор декартового робота с 3 степенями свободы. Этот код в основном отображает робота базируясь на технических характеристиках и обновляет чертеж, основываясь на отношениях между звеньями и двигателями. Результаты моделирования на физических моделях могут быть визуализированы с использованием этой модели. Модель можно использовать в качестве интерфейса небольшого прототипа, основанного на микроконтроллере Arduino. Поэтому параметры двигателя, резьба, звено, размеры площадки приведены к единому виду. Виды аддитивных установок, использованные в качестве набора данных представлены на (рис. 1)[1].
picaso 3d designer pro 250
3D-принтер Wanhao Duplicator i3
Рис. 1 Типы аддитивных установок, использующие 3 степени свободы.
2. Построение модели функционирования аддитивной установки
Модель автоматизированной установки послойного синтеза представлена на (Рис.2).
Рис. 2. Модель автоматизированной установки послойного синтеза
При конструировании модулей выполнены следующие работы:
-изучение функциональных схем с целью выявления одинаковых по назначению подсхем и унификации их структуры в пределах конкретного изделия;
-выбор конструктива;
-конструирование печатной платы;
-выбор способов защиты модуля от перегрева и внешних воздействий.
Что закладывалось в модель программы (рис. 3).
Рис. 3. Фрагмент программы
Использование аддитивных технологий позволяет закладывать качественные характеристики в конструкцию корпуса РЭА экранирование электромагнитных полей узлов радиоэлектронной аппаратуры и их соединений при использовании токопроводных материалов.
При формировании корпуса РЭА необходимо учитывать те показатели, которые влияют на производство корпусных элементов.
Для сохранения нужного крутящего момента выбирается ШД с возможно большим моментом удержания, который зависит от напряжения питания. Дело в том, что производитель указывает минимальное напряжение для ШД при котором тот начинает вращаться без нагрузок. Максимально допустимое напряжение может быть вычислено по формуле:
, (1)
где индуктивность одной фазы шагового двигателя.
Практика показывает, что оптимальным напряжением будет значение ~ 80% от полученного.
(2)
В процессе проектирования схемы управления нужно четко представлять, какие задачи она должна решать. В нашем случае за основу конструкции был выбран дельта-робот. Для того чтобы система успешно функционировала, необходимо решать две задачи, а именно обратную (инверсную) и прямую задачи кинематики. В первом случае заранее известна позиция, в которую должен быть перемещен экструдер 3D-принтера. Во втором случае известны углы, на которые повернуты позиционирующие механизмы системы и необходимо найти положение рабочей платформы в пространстве.
На (рис. 4) представлен этап проектирование корпусного элемента для последующего послойного синтеза.
Рис. 4. Модель автоматизированной установки на этапах послойного синтеза
Тип производства определяют из анализа конструкции РЭА, программы выпуска и действительного годового фонда рабочего времени. Для определенного типа производства выбирают оптимальные методы сборки, необходимые оборудования и оснастку. Тип производства устанавливают с помощью коэффициента серийности
, (3)
где - это количество сборочных операций по технологическому процессу; - число рабочих мест, необходимых для выполнения процесса сборки
, (4)
где - это годовой объем выпуска РЭА, шт.; трудоёмкость сборки РЭА, мин; - норма штучного времени i-й сборочной операции, мин; k -коэффициент выполнения норм в процессе сборки; - действительный годовой фонд времени, ч. Значения <= 1 соответствует массовому производству, = 1 - серийному производству, > = 1 - для небольших программ и единичного производства. Аддитивное производство применимо к серийному и единичному производству корпусных элементов РЭА.
Оценка результативности применения аддитивного производства корпусных элементов РЭА.
Формула оценки результативности процессов:
R= ∑ Вᵢ, (5)
где: R – оценка; Вᵢ- количество баллов.
3. Показатели аддитивного производства направленные на качество изделия
Для управления и повышения качества процесса послойного синтеза аддитивной установки с использованием аддитивных технологий выявлены показатели, которые необходимо учитывать в процессе печати (табл. 1) и имеющая вид (рис. 3).
Таблица 1 - Показатели качества упитывающиеся в аддитивном производстве
Наименование показателя качества Обозначения качества Наименование характеризуемого свойства
Температура размягчения °С Устойчивость к температурному воздействию
Усадка % Размерность
Продолжительность пластично-вязкого состояния с Скорость печати
Текучесть мм Точность печати
Произведен анализ отдельных элементов производственного процесса, а затем предложены пути совершенствования.
Правильное понимание причин не результативности организации на уровне отдельных операций позволяет устранить или сократить затраты на выполнение операций, не создающих добавленной ценности в процессе.
Стоимость изготовления детали достаточно высока, и в зависимости от сложности изделия вопрос эффективности применения этого метода требует отдельной проработки [2].
Рис. 5. Факторы влияющие на обеспечение качества аддитивного производства корпусов РЭА
При соблюдении требований, к полимерам, которые планируется применять в послойном синтезе и учёте момента гомогенизирования, который достигается путём соблюдения температурных режимов, получится достичь требования к качеству изделий,
произведённых при помощи аддитивного производства.
Применение аддитивных технологий позволяет включить в этап «Проектирование» этапы «Модель», «Чертеж» и «Оснастка». Этап «Оснастка» не требуется в процессах с использование аддитивных технологий, так оборудование не требует оснастки. Этапы «Проектирование» и «Печать» объединяют в себе большую часть процессов традиционной технологии. как на этапе «Проектирование» в 3D-модели всё учтено и оборудование не требует оснастки. Этапы «Проектирование» и «Печать» объединяют в себе большую часть процессов традиционных технологий производства корпусных элементов.
Выводы
Благодаря моделированию процессов послойного синтеза 3D печати и учёту особенностей технологии и этапов производства, получается обеспечить качество построения физической модели объекта. Обеспечение качества в аддитивном производстве позволяет добиться экономии полимеров и сокращении времени подготовительных этапов печати.
1. Управление качеством корпусных элементов РЭА / А. В. Чабаненко // РИА: Журнал.: «Стандарты и качество». 2018. №2. С. 90-94.
2. Экспертный метод выбора модели 3d-принтера, пригодной для опытного/мелкосерийного производства в приборостроении Щеников Я.А. Радиопромышленность. 2017. № 2. С. 107-112.
