Система автоматического изготовления сложных прототипов деталей методом послойного отверждения полимеров

Полезная модель относится к машиностроению, приборостроению, ракетно-космической, оборонной и другим отраслям промышленности и предназначена для изготовления в автоматическом режиме прототипов деталей со сложной геометрической формой из жидких фотополимеров, а также металлических порошков. Техническим результатом полезной модели является быстрое изготовление прототипов объектов со сложной геометрической формой и замкнутой пространственной конфигурацией, с высокой точностью, в том числе в рамках процесса сквозного автоматизированного проектирования, без применения сборочных операций, дополнительной механической обработки и конструкторско-технологической документации на бумажных носителях. Технический результат достигается тем, что полезная модель (фиг.1) состоит из средств построения 3D-моделей CAD-1CAD-N, преобразователей Пр1.1Mp1.N из различных форматов данных 3D-моделей в формат *.stl, блоков анализа и редактирования 3D-моделей (3DAP), построения технологических поддержек (ПП), преобразователя Пр2 во внутренний бинарный формат специализированного программного обеспечения для построения послойных сечений (блок ПС), а также контуров сечений (блок ПКС). построения эквидистант контуров (блок ПЭК) и штриховки послойных сечений (блок ШПС), преобразователей Пр3, Пр4 в форматы предтерминальных файлов *.gbr или *.png. баз данных БДТФ1, БДТФ2 для формирования терминальных файлов, SLS-устройства для реализации технологии Selective Laser Sintering и SLA-устройства для реализации технологии Laser Stereolithography. Каждая из CAD-систем по выходу соединена со входом блока 3DAP через преобразователи Пр1.1Пр1.N. Выход блока 3DAP связан со входом блока ПП, выход которого соединен со входом преобразователя Пр2. Далее имеет место разветвление в структурной схеме: по верхней ветви (см. фиг.1), выход Пр2 подключен ко входу блока ПКС; по нижней - ко входу блока ПС. Далее, связи между блоками установлены в следующей последовательности: от блока ПКС к блоку ПЭК, от блока ПЭК к блоку ШПС, от блока ШПС к преобразователю Пр3, от преобразователя Пр3 к базе данных БДТФ1, от базы данных БДТФ1 к SLS-устройству - для верхней ветви; 2) от блока ПС к преобразователю Пр4, от преобразователя Пр4 к базе данных БДТФ2, от базы данных БДТФ2 к SLA-устройству - для нижней ветви. 5 ил.

Полезная модель относится к машиностроению, приборостроению, ракетно-космической, оборонной и другим отраслям промышленности и предназначена для изготовления в автоматическом режиме прототипов деталей со сложной геометрической формой из жидких фотополимеров (технология SLA - Laser Stereolithography), а также металлических порошков (технология SLS - Selective Laser Sintering).

Из существующего уровня техники известны следующие аналоги.

В US 4575330 A1, 11.03.1986 г., описана лазерная стереолитографическая установка, состоящая из гелий-кадмиевого ультрафиолетового лазера с воздушным охлаждением, оптической системы фокусирования луча, системы сканирования (наведения) лазерного луча, ванны из нержавеющей стали с подъемной технологической платформой, управляющего компьютера.

Недостатки: в установке применяется попиксельная засветка каждого слоя фотополимера, для чего используются сложные и дорогостоящие лазерно-оптические системы и системы управления.

В US 5133987 A1, 28.07.1992 г., описана установка, состоящая из аргонового ультрафиолетового лазера с водяным охлаждением, оптической системы фокусирования луча, системы сканирования (наведения) лазерного луча, ванны из нержавеющей стали с подъемной технологической платформой, управляющего компьютера.

Недостатки: сложные и дорогостоящие лазерно-оптические системы, система управления, система охлаждения.

В ЕР 1250997 A1, 23.10.2002 г. (прототип), описано устройство для изготовления объемных изделий, отличающееся тем, что оно состоит из ванны для светочувствительных материалов, на стенки и дно которой нанесено эластичное покрытие, от которого легко отделять затвердевший материал, а экспонирование и отверждение материала осуществляется снизу через прозрачное дно ванны, с помощью экспонирующей и проекционной установок.

Недостатки: для отверждения фотополимера используется две установки (экспонирующая и проекционная), а в предлагаемой полезной модели - одна; ванна для фотополимера имеет сложную и дорогостоящую конструкцию.

В качестве причин, препятствующих получению технического результата, который обеспечивается полезной моделью, можно отметить следующее: способ установки экспонирующей и проекционной установок способствует быстрому загрязнению поверхности линз, конструкция и расположение ванны способствуют скоплению на ее стеклянном дне - поверхности, на которую осуществляется проецирование - частиц затвердевшего фотополимера - все это снижает точность изготовления прототипов изделий.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение перечня программно-технических средств быстрого и точного изготовления прототипов деталей.

Техническим результатом полезной модели является: возможность изготовления в автоматическом режиме прототипов деталей сложно структурированных объектов, в том числе, с замкнутой пространственной конфигурацией, без применения сборочных операций и дополнительной механической обработки, обеспечивая при этом высокую точность (не хуже 50 мкм) и низкую трудоемкость изготовления; возможность подготовки входных данных для устройств реализации технологии отверждения жидких фотополимеров (Laser Stereolithography, SLA) и технологии селективного лазерного спекания металлических порошков (Selective Laser Sintering, SLS); при использовании полезной модели в комплексе с CAD/CAM/CAE-системами обеспечена возможность изготовления опытных образцов изделий в короткие сроки без применения конструкторско-технологической документации на бумажных носителях, таким образом, реализуется технология сквозного проектирования, что значительно сокращает сроки и повышает качество конструкторско-технологической подготовки производства.

Технический результат достигается за счет того, что полезная модель (фиг.1) состоит из средств построения 3D-моделей CAD-1CAD-N, преобразователей Пр1.1Пр1.N из различных форматов данных 3D-моделей в формат *.st1, блоков анализа и редактирования 3D-моделей (3DAP), построения технологических поддержек (ПП), преобразователя Пр2 во внутренний бинарный формат специализированного программного обеспечения для построения послойных сечений (блок ПС), а также контуров сечений (блок ПКС), построения эквидистант контуров (блок ПЭК) и штриховки послойных сечений (блок ШПС), преобразователей Пр3, Пр4 в форматы предтерминальных файлов *.gbr или *.png, баз данных БДТФ1, БДТФ2 для формирования терминальных файлов, устройств для реализации технологии Selective Laser Sintering (SLS-устройство) и технологии Laser Stereolithography (SLA-устройство).

Каждая из CAD-систем по выходу соединена со входом блока 3DAP через преобразователи Пр1.1Пр1.N. Выход блока 3DAP связан со входом блока ПП, выход которого соединен со входом преобразователя Пр2. Далее имеет место разветвление в структурной схеме: по верхней ветви (см. фиг.1) выход Пр2 подключен ко входу блока ПКС, по нижней - ко входу блока ПС. Далее связи между блоками установлены в следующей последовательности: от блока ПКС к блоку ПЭК, от блока ПЭК к блоку ШПС, от блока ШПС к преобразователю Пр3, от преобразователя Пр3 к базе данных БДТФ1, от базы данных БДТФ1 к SLS-устройству - для верхней ветви; от блока ПС к преобразователю Пр4, от преобразователя Пр4 к базе данных БДТФ2, от базы данных БДТФ2 к SLA-устройству - для нижней ветви.

На фиг.1 изображена структурная схема полезной модели.

На фиг.2 приведен пример конфигурации и расположения технологических поддержек.

На фиг.3 приведены примеры послойных сечений для SLS-устройства.

На фиг.4 приведены примеры послойных сечений для SLA-устройства.

На фиг.5 изображены (а) SD-модель и (б) ее прототип, изготовленный при помощи полезной модели.

Полезная модель состоит из средств построения 3D-моделей CAD-1CAD-N, преобразователей Пр1.1Пр1.N из различных форматов данных SD-моделей в формат *.st1, блоков анализа и редактирования SD-моделей {3DAP), построения технологических поддержек (ПП), преобразователя Пр2 во внутренний бинарный формат специализированного программного обеспечения для построения послойных сечений (блок ПС), а также контуров сечений (блок ПКС), построения эквидистант контуров (блок ПЭК) и штриховки послойных сечений (блок ШПС), преобразователей Пр3, Пр4 в форматы предтерминальных файлов *.gbr или *.png, баз данных БДТФ1, БДТФ2 для формирования терминальных файлов, SLS-устройства для реализации технологии Selective Laser Sintering и SLA-устройства для реализации технологии Laser Stereolithography.

Каждая из CAD-систем по выходу соединена со входом блока 3DAP через преобразователи Пр1.1Пр1.К. Выход блока 3DAP связан со входом блока ПП, выход которого соединен со входом преобразователя Пр2. Далее имеет место разветвление в структурной схеме: по верхней ветви (см. фиг.1)) выход Пр2 подключен ко входу блока ПКС; по нижней - ко входу блока ПС. Далее, связи между блоками установлены в следующей последовательности: от блока ПКС к блоку ПЭК, от блока ПЭК к блоку ШПС, от блока ШПС к преобразователю Пр3, от преобразователя Пр3 к базе данных БДТФ1, от базы данных БДТФ1 к SLS-устройству - для верхней ветви; от блока ПС к преобразователю Пр4, от преобразователя Пр4 к базе данных БДТФ2, от базы данных БДТФ2 к SLA-устройству - для нижней ветви.

Полезная модель работает следующим образом. 3D-модель, выполненная в одной из CAD-систем, преобразуется в формат *.st1 при помощи Пр1.1Пр1.N и поступает на вход блока 3DAP, где производится анализ и исправление ошибок геометрии 3D-модели, выбор ее положения для изготовления и т.д. Отредактированная 3D-модель поступает на вход блока ПП, в котором выполняется построение технологических поддержек (фиг.2), необходимых для обеспечения изготовления «висячих» поверхностей. SD-модель с поддержками преобразуется во внутренний бинарный формат специализированного программного обеспечения *.b посредством Пр2. Далее выполняются операции формирования послойных сечений: для SLS-устройства выполняется построение контуров сечений (блок ПКС), построение эквидистант контуров (блок ПЭК) и штриховка послойных сечений (блок ШПС) - фиг.3; для SLA-устройства формируются послойные сечения с интегрированной структурой в виде комбинации сечений технологических поддержек и основных контуров изделия (фиг.4). Сформированные послойные сечения преобразуются в форматы предтерминальных файлов - в *.gbr при помощи Пр3, в *.png при помощи Пр4 - и накапливаются в базах данных БДТФ1, БДТФ2, откуда впоследствии считываются управляющим программным обеспечением SLS-устройства или SLA-устройства при построении прототипов изделий. На фиг.5 изображен прототип сложно структурированного объекта, изготовленный с помощью полезной модели.

Сведения, подтверждающие возможность реализации указанных в формуле признаков полезной модели, приведены в следующих публикациях: Артамонов Е.И., Артамонов А.Е., Балабанов А.В., Ромакин В.А., Савельев К.А. Разработка программно-технических комплексов для физического моделирования машиностроительных конструкций / Труды 12-й Международной конференции "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (CAD/CAM/PDM-2012, Москва). М.: ООО Аналитик, 2012. С.18-21.

Система автоматического изготовления сложных прототипов деталей методом послойного отверждения полимеров, характеризующаяся тем, что состоит из средств построения 3D-моделей CAD-1CAD-N, преобразователей Пр1.1Пр1.N из различных форматов данных 3D-моделей в формат *.stl, блоков анализа и редактирования 3D-моделей (3DAP), построения технологических поддержек (ПП), преобразователя Пр2 во внутренний бинарный формат специализированного программного обеспечения для построения послойных сечений (блок ПС), а также контуров сечений (блок ПКС), построения эквидистант контуров (блок ПЭК) и штриховки послойных сечений (блок ШПС), преобразователей Пр3, Пр4 в форматы предтерминальных файлов *.gbr или *.png, баз данных БДТФ1, БДТФ2 для формирования терминальных файлов, SLS-устройства для реализации технологии Selective Laser Sintering и SLA-устройства для реализации технологии Laser Stereolithography; при этом каждая из CAD-систем по выходу соединена со входом блока 3DAP через преобразователи Пр1.1Пр1.N; выход блока 3DAP связан со входом блока ПП, выход которого соединен со входом преобразователя Пр2; далее имеет место разветвление в структурной схеме: по верхней ветви структурной схемы выход Пр2 подключен ко входу блока ПКС, по нижней - ко входу блока ПС; причем связи между блоками для верхней и нижней ветвей структурной схемы установлены в следующей последовательности:

- от блока ПКС к блоку ПЭК, от блока ПЭК к блоку ШПС, от блока ШПС к преобразователю Пр3, от преобразователя Пр3 к базе данных БДТФ1, от базы данных БДТФ1 к SLS-устройству - по верхней ветви для реализации технологии селективного лазерного спекания;

- от блока ПС к преобразователю Пр4, от преобразователя Пр4 к базе данных БДТФ2, от базы данных БДТФ2 к SLA-устройству - по нижней ветви для подготовки входных данных и реализации технологии отверждения жидких фотополимеров.