Всероссийский конкурс работ научно-технического творчества студентов, обучающихся по программам среднего профессионального образования
Задачи заочного этапа
для направления «Производственные технологии»
Как решить?
При решении задач мы рекомендуем пользоваться доступными источниками информации.
Мы настоятельно рекомендуем решать задачи в команде без помощи сторонних экспертов. В случае необходимости или спорных ситуаций, Оргкомитет проведет удаленное он-лайн собеседование команды с экспертами по направлению.
Как прислать решение?
Решение необходимо заполнить в этом же файле ниже и загрузить документ в личном кабинете участника в формате .doc или .docx.
Название файла должно быть в формате: “Направление Название команды” (например: “Энергетика Электроники.doc”), приложенные файлы называются как: “Направление Название команды Приложение1..n.doc”
Задания
Поясните необходимость проведения испытаний для изделий получаемых методами аддитивных технологий.
(приведите не менее 3 примеров и обоснуйте ответы)
Исторически сложилось, что любое изделие сделанное человеком, подвергается им испытаниям. Согласно ГОСТу, испытание это опытное определение количественных и (или) качественных свойств предмета испытаний как результата воздействий на него, при его функционировании, при моделировании предмета и (или) воздействий (ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения). В связи с тем, что изделия, получаемые методами аддитивных технологий, используются в различных отраслях экономики (производство потребительских товаров и электроники, автомобилестроение, медицина, авиастроение и космическая отрасль производства, производство средств производства, образование, строительство) они должны соответствовать стандартам качества. Эти изделия должны иметь такие же технические характеристики, как изделия получены путем традиционных технологий или превосходить их. Поэтому для определения свойств изделий необходимо проводить испытания и оценивать соответствие принятому стандарту.
За рубежом вопросы стандартизации по материалам для аддитивных технологий находятся в компетенции NIST – National Institute of Standards and Technology (США); Международной организации по стандартизации ISO (комитет TC261 по аддитивным технологиям) и ASTM (международный комитет F42 по аддитивным технологиям). В настоящее время разработан только один стандарт (ASTM F2924) на материал Ti-6-Al-4-V для применения в технологиях Powder Bed Fusion (Зленко и др., 2015).
В нашей стране создан технический комитет по стандартизации ТК 182 «Аддитивные технологии» (далее - ТК 182). Решение о создании ТК 182 принято Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии и утверждено приказом от 01 сентября 2015 г. № 1013. Данный комитет является формой сотрудничества заинтересованных организаций, органов власти и физических лиц при проведении работ по национальной, межгосударственной и международной стандартизации в сфере видов экономической деятельности, продукции и услуг согласно Разделу С «Продукция обрабатывающих производств» по ОК 034-2014. Методическое руководство работой ТК 182 и контроль за его деятельностью осуществляет Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (РОССТАНДАРТ) через своего полномочного представителя в комитете (http://viam.ru/repliesn).
В настоящее время ведется разработка проекта национального стандарта ГОСТ Р. В частности, национального стандарта ГОСТ Р «Изделия, полученные методом аддитивных технологических процессов. Методы контроля и испытаний».
Вопрос терминологии рассматривается в рамках деятельности организации ASTM International (American Society for Testing and Materials), занимающейся разработкой технических стандартов для широкого спектра материалов, изделий, систем и услуг. В стандарте ASTM F2792.1549323-1 аддитивные технологии определены как «process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing technologies» («процесс объединения материала с целью создания объекта из данных 3D-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от «вычитающих» производственных технологий»).
В международном сообществе так же, как и в России, устоявшейся классификации аддитивных технологий пока не принято. Различные авторы подразделяют их по следующим методам:
формирование слоя;
фиксация слоя;
применяемые строительные (модельные) материалы (жидкие, сыпучие, полимерные, металлопорошковые и т. д.);
ключевая технология (лазерные, нелазерные);
подвод энергии для фиксации слоя построения (с помощью теплового воздействия, облучения ультрафиолетовым или видимым светом, посредством связующего состава и т. д.) (Зленко и др., 2015).
Общей проблемой SLM-технологий (SLM – Selective Laser Melting – селективное лазерное сплавление) является проблема обеспечения надлежащей микроструктуры синтезированного материала, устранения пористости, в той или иной мере характерной для всех видов AM-технологий. В ряде исследований, в частности (Sabina L. Campanelli et. al, 2010; Безобразов Ю.А. и др., 2012; Louvis E. et. аl., 2011), показано, что пористость зависит как от материала, так и от параметров режима сплавления. Например, для алюминиевых сплавов пористость может достигать 4-5%, для сплавов Ti – до 2%, тогда как для сталей – менее 0,2%. Для устранения внутренней пористости для особо ответственных деталей применяют специальные методы термической обработки и обработки давлением, включая HIP (Hot Isostatic Pressure) – горячее изостатическое прессование.
Свойства детали, полученной из порошка, будут другие. Поэтому прежде, чем «напечатать» деталь и тем более попробовать поставить ее на двигатель, надо провести очень много дополнительных исследований. Авиадвигателестроительные фирмы во всем мире сейчас как раз и занимаются изучением свойств порошковых изделий сначала на образцах, потом в реальных деталях.
Прочностные характеристики детали и при традиционных способах изготовления зависят не только от химического состава материала, но и от вида полуфабриката: слиток это, пруток или лист, — а также от режимов термообработки. В случае АТ параметров, влияющих на прочность, гораздо больше. У порошкового материала это не только химический состав, но и размеры гранул, разброс размеров, их овальность, включения, способ изготовления и т. д. Сам аддитивный технологический процесс многовариантен. Если мы говорим о лазерных процессах, то это и мощность луча, и величина пятна, и время воздействия, и направление треков движения луча лазера. Структура детали получается неоднородной, а по механическим характеристикам — не изотропной: в направлении выращивания и в поперечном направлении характеристики, как правило, различны. Таким образом, одновременно с деталью разрабатывается, по сути, технология ее производства, поэтому в случае АТ мы говорим уже не о проектировании конструкции, а о поиске конструктивно-технологического решения, поскольку физико-механические свойства, прочностные и другие характеристики детали устанавливаются в процессе ее изготовления (http://www.ciam.ru/press-center/interview/additive-technologies-in-gas-turbine-construction).
При изготовлении медицинских и стоматологических изделий, в том числе стоматологических капп, хирургических, ортопедических и слуховых аппаратов используют фотополимер MED610. Этот материал – неэластичный, он бесцветен, прозрачен и обладает высокой способностью сохранять размеры и форму. Этот материал идеально подходит для областей применения, в которых требуется длительный контакт с кожей (более 30 дней) или краткосрочный контакт со слизистой оболочкой (до 24 часов). Материал MED610 успешно прошел пять медицинских испытаний, среди которых проверки на цитотоксичность, генотоксичность, гиперчувствительность замедленного типа и раздражение. MED610 присвоен класс пластмасс USP VI (детали, напечатанные с учетом правил использования и эксплуатации Objet MED610, оценивались на биосовместимость в соответствии со стандартом DIN EN ISO 10993-1: 2009, «Оценка биологическая медицинских изделий. Часть 1: Оценка и испытания в пределах процесса управления рисками». Такие испытания оценивают цитотоксичность, генотоксичность и замедленную гиперчувствительность, а также соответствие стандарту пластмасс USP Class VI, в который входит проверка на раздражение, критическую общую токсичность и имплантацию) (http://www.ddmlab.ru/materials/fotopolimery_polyjet/standard/material-biocompatible/).
С помощью технологии 3D-печати PolyJet можно быстро изготавливать удивительно точные модели слуховых аппаратов с гладкой и комфортной поверхностью. Материал для слуховых аппаратов доступен в двух цветах: прозрачном MED630 и розовато-прозрачном MED655. Оба материала имеют медицинскую сертификацию (http://www.ddmlab.ru/materials/fotopolimery_polyjet/standard/material-biocompatible/).
Изготовление для самолета экспериментального носка радиопрозрачного обтекателя из теплостойкого материала требует испытаний для выявления соответствия, задуманным конструкторами «ОКБ Сухого» характеристикам (http://www.ndexpo.ru/mediafiles/u/files/materials_2016/3/3Boguslavskij.pdf).
С помощью функционального прототипа можно с большей вероятностью обнаружить ошибки в конструкции на этапе проектирования. Исправление ошибки, замеченной позже на этапе производства, обойдется в сотни и тысячи раз дороже.
Безобразов Ю.А. и др. Анализ структуры образцов, полученных DMLS-и SLM-методами быстрого прототипирования. СПбГПУ. 2012.
Зленко М.А. Аддитивные технологии в машиностроении / М.В. Нагайцев, В.М. Довбыш // пособие для инженеров. М. ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» 2015. 220 с.
Sabina L. Campanelli et. al. Capabilities and Performances of the Selective Laser Melting Process. Polytechnic of Bari, Department of Management and Mechanical Engineering, Viale Japigia, 182 Italy [Электронный ресурс], Режим доступа: http://cdn.intechweb.org/pdfs/12285.pdf
Louvis E. et. аl. Selective laser melting of aluminium components. Journal of Materials Processing Technology. Volume 211, Issue 2, 1 February 2011, Pages 275–284. Department of Engineering, The University of Liverpool, Liverpool L69 3GH, United Kingdom.
Для быстрого восстановления изношенной поверхности используют различные технологии (например, наплавка). Предложите способ, которым можно восстановить поверхность пластиковой детали используя 3D-принтер?
(приведите ответ в свободной форме с обоснованием).
Фотополимеризация – способ, которым можно восстановить поверхность пластиковой детали. Этот метод заключается в том, что на поверхность будет нанесен порошкообразный идентичный материал, после этого помещен в 3D принтер и путем точечного нагрева лазером расплавлен. Таким образом, поверхность детали будет восстановлена и не отличимая от изделия.
При восстановлении детали может происходить искажение ее геометрии. Из-за перехода пластика из одного состояния в другое (жидкое – твердо – жидкое – твердое) и изменения температур, пластик начинает уменьшаться в объеме. Этот процесс проходит неравномерно – сначала остывают края, а затем только центральная часть. Из-за этого возникают внутренние напряжения, которые отрывают края или ломают деталь.
Невозможно избавиться от термического сжатия или усадки. Это физический процесс – его можно только скомпенсировать. Линейная усадка – 0.5 -0.9%, объемная еще больше.
Исправить ситуацию можно если:
Уменьшить заполняемость – меньше пластика, меньше чему сжиматься – меньше усилие отрыва.
Использовать горячий стол – вы прогреваете нижние слои, что дает равномерное распределение напряжений внутри детали.
Делать внешний контур – вы можете печатать внешний слой вокруг детали. Это создает что-то вроде термобарьера вокруг детали, тем самым поддерживая температуру по объему, что приводит к равномерному распределению напряжений по детали. Альтернатива – закрытая камера печати, служит аналогичным образом.
Использовать конструктивные элементы – Во-первых, проверьте, чтобы ваша деталь хорошо лежала на столе – если ваша плоская грань детали вовсе не плоская, то она легко оторвется. Во-вторых, если вы понимаете физику процесса, можете либо где-то добавить материала, либо сделать дырку в детали и пр. Таким образом, вы искусственно вызовете перераспределение напряжений в детали, однако, этот способ крайне сложен.
Увеличьте силу сцепления – вы можете не бороться с напряжениями, а просто обеспечить необходимую силу сцепления. Однако, эти напряжения останутся и вашу деталь потом можно легко сломать в этом месте (http://3dtoday.ru/blogs/leoluch/defects-3d-printing-will-try-to-introduce-a-classification/).
Какой материал предпочтительнее при изготовления следующих прототипов?
1. Ювелирного украшения
2. Деталей электродвигателя
3. Здания
4. Промышленного робота
(приведите максимальное количество подходящих материалов с обоснованием для каждой позиции)
При разработке какого-либо нового изделия до запуска его в массовое производство создается его прототип. Под прототипом в инженерии (от др.-греч. πρῶτος — первый и τύπος — отпечаток, оттиск; первообраз) понимают работающая модель, опытный образец устройства или детали.
На рынке предлагается целый спектр материалов, различающихся по степени прочности и качеству образуемой структуры. В зависимости от процесса, в АТ используются следующие основные материалы: полистирол, термопластик, бумага, акрил, поликарбонат, нейлон, ABS, синтетические смолы и др.
Процесс создания ювелирного изделия состоит из нескольких этапов:
разработка 3D модели
выращивание прототипа – выращивание пластиковой модели на специальном 3D принтере Solidscape из созданного ранее CAD файла. Выращенный 3D принтером прототип используют для изготовления гипсовой формы, необходимой для литья золота или серебра.
создание гипсовой формы
создание мастер-модели – в гипсовую форму заливают расплавленный сплав золота определенной пробы или серебра. Полученная в результате литья заготовка обрабатывается ювелиром для устранения всех недостатков и совершенствования модели изготавливаемого ювелирного изделия.
изготовление «резинки» – специальная эластичная форма, состоящая из двух половинок. «Резинка» необходима для получения восковых копий мастер-модели ювелирного изделия.
создание восковых моделей мастер-модели
создание гипсовой формы для литья заготовки из драгметалла.
литье из драгметалла.
По восковой копии мастер-модели снова изготавливается гипсовая форма, необходима для литья золотой заготовки кольца.
Отлитая золотая заготовка ювелирного изделия выглядит очень грубо, и часто вовсе состоит только из элементов ювелирного изделия, например, из оправы бриллианта (каста) и шинки кольца. Все заготовки обрабатывает ювелир-монтировщик, в результате его работы получается почти готовое отполированное ювелирное изделие без вставок.
При изготовлении прототипов ювелирных изделий используется технология DLP (Direct Light Projection) – выборочное светоотверждение полимера за счет света от проектора с DLP-матрицей. В качестве полимера применяют литейный материал EnvisionTEC EC3000, который имеет в 3 раза больше воска, чем любой материал на основе полимера, включая EC500. Он не кипит во время выгорания, что является основной причиной пористости в процессе литья среди конкурирующих продуктов (http://envisiontec.com/3d-printing-materials/perfactory-materials/).
EPIC смолы EnvisionTEC были разработаны для прямого литья по выплавляемым моделям продукции для ювелирного рынка. Они предлагают отличные выгорают свойства и построить с самым высоким качеством и чёткость. Материалы могут обрабатываться на всех системах Perfactory®.
Изделия, создаваемые из смолы PIC100 M, полностью выжигаются в заданном температурном цикле без зольности, а также обладают очень низким коэффициентом температурного расширения. Этот материал оптимален для производства литых изделий из драгоценных металлов, требующих очень гладких поверхностей (http://cybercom.ru/catalog/materials-for-3d-printers/envisiontec-materials/420/).
|
