Анализ DFM для стереолитографии - Википедия - DFM analysis for stereolithography

Настольная установка для быстрого прототипирования с помощью процесса SLA

В дизайн для аддитивного производства (DFAM), есть обе общие темы (которые применимы ко многим производство добавок процессы) и оптимизации, специфичные для конкретного процесса AM. Здесь описывается DFM анализ для стереолитографии, в котором дизайн на технологичность (DFM) учитываются в проектирование деталь (или узел), который будет изготовлен стереолитография (SLA) процесс. В SLA детали строятся по фотографииизлечимый жидкость смола который излечивает при воздействии лазер луч, который сканирует поверхность смолы (фотополимеризация ). Смолы, содержащие акрилат, эпоксидная смола, и уретан обычно используются. Сложные детали и узлы можно изготавливать сразу за один проход, в большей степени, чем в более ранних формах производства, таких как Кастинг, формирование, изготовление металла, и механическая обработка. Реализация такого бесшовного процесса требует, чтобы проектировщик принял во внимание технологичность детали (или сборки) в процессе. В любом процессе разработки продукта важно учитывать DFM, чтобы сократить количество итераций, время и потери материалов.

Проблемы стереолитографии

Материал

Чрезмерная стоимость материалов на установку и отсутствие поддержки сторонних смол являются серьезной проблемой в процессе SLA:[1] Выбор материала (процесс проектирования) ограничен смолой на подложке. Следовательно, механические свойства также фиксированы. При выборочном увеличении размеров, чтобы справиться с ожидаемыми напряжениями, последующее отверждение осуществляется путем дальнейшей обработки УФ-светом и нагреванием.[2] Дополнительная полимеризация и поперечное сшивание, хотя и благоприятные для механических свойств, могут привести к усадке, короблению и остаточным термическим напряжениям.[3] Следовательно, деталь должна быть спроектирована на «зеленой» стадии, то есть на стадии предварительной обработки.

Настройка и процесс

SLA процесс - это производство добавок процесс. Следовательно, необходимо учитывать такие аспекты проектирования, как ориентация, широта процесса, опорные конструкции и т. Д.[4]Ориентация влияет на опорные конструкции, время изготовления, качество детали и стоимость детали.[5] Сложные конструкции могут не изготавливаться должным образом из-за невозможности ориентации, что приводит к нежелательным напряжениям. В этом случае можно применить рекомендации DFM. Выполнимость конструкции для стереолитографии может быть подтверждена аналитическим [6] а также на основе моделирования и / или руководств [7]

Рекомендации по DFM на основе правил

Соображения, основанные на правилах, в DFM относятся к определенным критериям, которым должна соответствовать деталь, чтобы избежать отказов во время производства. Учитывая технику послойного изготовления, которой следует процесс, нет никаких ограничений на общую сложность, которую может иметь деталь. Но некоторые правила были разработаны на основе опыта разработчика принтеров / научных кругов, которым необходимо следовать, чтобы гарантировать, что отдельные функции, составляющие часть, находятся в определенных «пределах осуществимости».

Ограничения принтера

Ограничения / ограничения в производстве SLA связаны с точностью принтера, толщиной слоя, скоростью отверждения, скоростью печати и т. Д. При проектировании необходимо учитывать различные ограничения принтера, такие как:[8]

  • Минимальная толщина стенки (поддерживается и не поддерживается): Толщина стенок в геометрии ограничена разрешением смолы. У поддерживаемых стен концы соединены с другими стенами. Ниже предела толщины такие стенки могут деформироваться во время отслаивания. Стены без опоры еще более подвержены отслаиванию, поэтому в этом случае установлен более высокий предел.
  • Вылет (максимальная неподдерживаемая длина и минимальный неподдерживаемый угол): Выступы - это геометрические элементы, которые не поддерживаются в самой детали. Они должны поддерживаться опорными конструкциями. Существует максимальный предел, когда конструкции не предоставляются. Это необходимо для уменьшения изгиба под собственным весом. Слишком малые углы приводят к увеличению длины без опоры (проекции). Следовательно, минимальный предел на это.
  • Максимальный пролет моста: Во избежание провисания балочных конструкций, которые поддерживаются только на концах, максимальная длина пролета таких конструкций должна быть ограничена. Если это невозможно, следует увеличить ширину для компенсации.
  • Минимальный диаметр вертикальной стойки: Это необходимо для того, чтобы гибкость была выше предела, при котором элемент становится волнистым.
  • Минимальные размеры пазов и рельефной детали: Канавки отпечатываются, а тиснение - это неглубокие выступы на поверхности детали. Элементы, напечатанные с размерами меньше установленных пределов, неузнаваемы.
  • Минимальный зазор между геометриями: Это необходимо для того, чтобы детали не плавились.
  • Минимальный диаметр отверстия и радиус кривизны: Небольшие изгибы, которые невозможно реализовать по размеру печати, могут сузиться или сгладиться / слиться.
  • Минимальные внутренние объемы номинальные диаметры: Слишком маленькие тома могут заполниться.

Опорные конструкции

Графика, показывающая опорные конструкции для блока лего

Точке нужна поддержка, если:[9]

  • Это конечная точка опоры без краев
  • Если длина свеса больше критического значения
  • Он находится в геометрическом центре опоры без плоскости

При печати опорные конструкции действуют как часть дизайна, поэтому при проектировании учитываются их ограничения и преимущества. Основные соображения включают:

  • Поддержка геометрии с малым углом: Небольшие углы могут привести к неправильному отверждению смолы (проблемы структурной прочности), если опоры не будут обеспечены равномерно. Как правило, за пределами определенного угла (обычно около 45 градусов) поверхность не требует поддержки.
  • Основание свеса: Увеличьте толщину секции у основания, чтобы избежать разрывов. Избегайте резких переходов в основании свеса.
  • Освобождение воздушного кармана: Без опор при печати на деталях с плоской поверхностью и отверстиями в геометрии могут образовываться пузырьки воздуха. По мере того, как деталь печатается, эти воздушные карманы могут вызывать пустоты в модели. В этом случае опорные конструкции создают пути, по которым могут выходить пузырьки воздуха.[10]
  • Совместимость структуры: Учитывать Поддерживает совместимость для внутренней поверхности объема.
  • Ориентация функции: Ориентируйте так, чтобы свесы хорошо поддерживались.

Ориентация осаждения детали

Значение структур поддержки и ориентации в процессе SLA. Объект в первом случае имеет проблемы с прочностью и требует больше времени на изготовление, чем во втором случае.

Ориентация детали - очень важное решение при анализе DFM для процесса SLA. От этого зависит время сборки, качество поверхности, объем / количество опорных конструкций и т. Д. Во многих случаях также можно решить проблемы технологичности, просто переориентируя деталь. Например, свисающая геометрия с малым углом может быть ориентирована для обеспечения крутых углов. Следовательно, основные соображения включают:

  • Улучшение качества поверхности: Сориентируйте деталь таким образом, чтобы исключить элемент на критической поверхности. С алгоритмической точки зрения поверхность произвольной формы разлагается на комбинацию различных плоских поверхностей, и каждой из них рассчитывается / присваивается вес. Общий вес сведен к минимуму для обеспечения наилучшего качества поверхности.[9]
  • Сокращение времени сборки: Грубая оценка времени сборки выполняется с помощью нарезки. Время построения пропорционально сумме площадей поверхности каждого среза. (Можно приблизительно оценить как высоту детали)
  • Оптимизация структуры поддержки: Поддерживаемая область зависит от ориентации. В некоторых ориентациях можно уменьшить площадь опоры.
  • Легко снимается: Изменение ориентации таким образом, чтобы площадь проецирования слоев постепенно изменялась, упрощает отслаивание отвержденного слоя во время печати. Ориентация также помогает удалить опорные конструкции на более поздних этапах.

Рекомендации по DFM на основе планов

Соображения, основанные на плане, в DFM относятся к критериям, возникающим из-за плана процесса. Они должны соблюдаться, чтобы избежать отказов во время изготовления детали, которая может удовлетворять критериям, основанным на правилах, но может иметь некоторые производственные трудности из-за последовательности, в которой создаются элементы.

Геометрический пошив

Модификация некоторых некритических геометрических характеристик детали для снижения стоимости и времени изготовления, а также для создания функциональных прототипов, имитирующих поведение производственных деталей.[11]

Geometric Tailoring устраняет несоответствие свойств материала и различия в процессах, описанные выше. Решены вопросы как функциональности, так и технологичности. Проблемы функциональности решаются путем «адаптации» размеров детали для компенсации аномалий поведения напряжения и прогиба.[11] Проблемы технологичности решаются путем выявления сложных в изготовлении геометрических атрибутов (подход, используемого в большинстве руководств по DFM) или путем моделирования производственных процессов. Для деталей, произведенных RP (как в SLA), формулировки задачи называются геометрической подгонкой материала и процесса (MPGT) /RP. Во-первых, проектировщик указывает такую ​​информацию, как: параметрическая модель CAD детали; ограничения и цели по функциональным, геометрическим, стоимостным и временным характеристикам; модели анализа для этих ограничений и целей; целевые значения целей; Затем формулируется проблема DFM, когда разработчик заполняет шаблон MPGT этой информацией и отправляет производителю, который заполняет оставшуюся «относящуюся к производству» информацию. С завершенной формулировкой производитель теперь может решить проблему DFM, выполнив ГТ конструкции детали. Таким образом, MPGT служит цифровым интерфейсом между проектировщиком и производителем. Для геометрической адаптации в процессе SLA были разработаны различные стратегии планирования процессов (PP).[12][13]

Фреймворки DFM

Ограничения, накладываемые производственным процессом, отображаются на конструкции. Это помогает выявлять проблемы DFM при изучении планов процессов, действуя как метод извлечения. В литературе описаны различные фреймворки DFM. Эти рамки помогают на различных этапах принятия решений, таких как:

  • Соответствие продукта процессу: рассмотрение производственных вопросов на этапе проектирования дает представление о том, является ли процесс SLA правильным выбором. Быстрое прототипирование можно делать разными способами. Обычно беспокоятся о стоимости процесса и доступности. С помощью этой DFM Framework разработчик может вносить необходимые изменения в конструкцию, чтобы упростить изготовление компонентов в процессе SLA.[14] Таким образом, эта структура обеспечивает соответствие продукта производственному плану.
  • Распознавание функций: это достигается за счет интегрированных задач планирования процесса в коммерческом программном обеспечении CAD / CAM. Это может включать моделирование производственного процесса, чтобы получить представление о возможных трудностях в виртуальной производственной среде. Такие интегрированные инструменты находятся в стадии разработки.[нужна цитата ]
  • Соображения функциональности: в некоторых случаях сборки печатаются напрямую, вместо того, чтобы печатать детали отдельно и собирать. В таких случаях такое явление, как текучесть смолы, может существенно повлиять на функциональность, что не может быть решено только с помощью анализа на основе правил. Фактически, анализ, основанный на правилах, предназначен только для проверки границ проекта, но размеры конечной детали должны быть проверены на технологичность посредством рассмотрения на основе плана. С последнего десятилетия в этом направлении проводились значительные исследования.[15][16] Фреймворки DFM разрабатываются и помещаются в пакеты.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Проблемы и проблемы 3D-печати: затраты на материалы
  2. ^ Бартоло, Пауло. Стереолитография: материалы, процессы и приложения. Springer, 2011, стр. 130
  3. ^ Д. Каралекас, А. Аггелопулос "Исследование деформаций усадки в акриловой фотополимерной смоле, отвержденной стереолитографией, "" Журнал технологий обработки материалов ", том 136, выпуски 1–3, 10 мая 2003 г., стр. 146-150
  4. ^ Решение проблем оси Z во время процессов стереолитографии[постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ Лан По-Тин, Чжоу Шо-Янь, Чен Линь-Лин, Джеммилл Дуглас (1997). «Определение ориентации изготовления для быстрого прототипирования с помощью стереолитографического аппарата». Системы автоматизированного проектирования. 29: 53–62. Дои:10.1016 / S0010-4485 (96) 00049-8.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  6. ^ Шьямасундар, РудрапатнаК. "Возможность дизайна в стереолитографии, "Основы программных технологий и теоретической информатики", том 761 Springer, 1993,
  7. ^ Д. Фам, С. Димов, Р. Голт "Ориентация детали в стереолитографии, "Международный журнал передовых производственных технологий", том 15, выпуск 9, 1999-08-01, страницы 674-682
  8. ^ Технические характеристики | Formlabs
  9. ^ а б «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-09-29. Получено 2015-09-29.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  10. ^ "Поддержка Formlabs".
  11. ^ а б Самбу, С., Я. Чен, Д.В. Розен, Геометрический пошив: дизайн производственного метода для быстрого прототипирования и быстрой оснастки. Journal of Mechanical Design, 2004. 126: с. 1-10.
  12. ^ Уэст, А.П., Самбу, С., Розен, Д.В. (2001), «Метод планирования процесса для повышения производительности сборки в стереолитографии», Computer-Aided Design, Vol. 33, № 1, с. 65-80
  13. ^ Линн-Чарни, К. и Розен, Д.В. (2000), «Модели точности и их использование при планировании процесса стереолитографии», Rapid Prototyping Journal, Vol. 6 № 2, с. 77-86
  14. ^ Сусман Г.И. Интеграция проектирования и производства для достижения конкурентных преимуществ. 1992, Нью-Йорк: издательство Оксфордского университета.
  15. ^ A.G.M. Мичелл "Пределы экономии материала в каркасных конструкциях ", Философский журнал, серия 6, том 8, выпуск 47, 1904 г.
  16. ^ Дизайн оптимальной структуры Michell, NACA
  17. ^ Фреймворк DFM для проектирования для задач аддитивного производства

внешняя ссылка