DFM-анализ для стереолитографии
При проектировании аддитивного производства (DFAM) существуют как общие темы (которые применимы ко многим процессам аддитивного производства ), так и оптимизации, специфичные для конкретного процесса аддитивного производства. Здесь описан анализ DFM для стереолитографии , в котором соображения проектирования для технологичности (DFM) применяются при проектировании детали (или сборки), которая будет изготовлена с помощью процесса стереолитографии (SLA). В SLA детали изготавливаются из фотоотверждаемой жидкой смолы , которая затвердевает под воздействием лазерного луча, сканирующего поверхность смолы ( фотополимеризация ). смолы, содержащие акрилат , эпоксидную смолу и уретан Обычно используются . Сложные детали и сборки могут быть изготовлены непосредственно за один раз, в большей степени, чем в более ранних формах производства, таких как литье , формовка , обработка металлов и механическая обработка . Реализация такого бесшовного процесса требует от проектировщика принятия во внимание технологичности детали (или сборки) с помощью этого процесса. В любом процессе проектирования продукта соображения DFM важны для сокращения количества итераций, времени и потерь материала.
Проблемы в стереолитографии
[ редактировать ]Материал
[ редактировать ]Серьезной проблемой процесса SLA являются чрезмерные затраты на материалы для установки и отсутствие поддержки смол сторонних производителей. [1] Выбор материала (процесс проектирования) ограничен смолой на носителе. Следовательно, механические свойства также фиксированы. При выборочном увеличении размеров для борьбы с ожидаемыми напряжениями постотверждение осуществляется путем дальнейшей обработки УФ-светом и нагреванием. [2] Хотя дополнительная полимеризация и поперечные связи выгодны для механических свойств, они 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
[ редактировать ]Процесс SLA — это процесс аддитивного производства . Следовательно, необходимо учитывать такие конструктивные соображения, как ориентация, широта процесса, опорные конструкции и т. д. [4] Ориентация влияет на опорные конструкции, время изготовления, качество и стоимость детали. [5] Сложные конструкции могут не быть изготовлены должным образом из-за неосуществимой ориентации, что приводит к нежелательным напряжениям. Именно в этот момент можно применить рекомендации DFM. Осуществимость конструкции стереолитографии может быть подтверждена аналитическими методами. [6] а также на основе моделирования и/или руководств [7]
Рекомендации по DFM на основе правил
[ редактировать ]Соображения, основанные на правилах, в DFM относятся к определенным критериям, которым должна соответствовать деталь, чтобы избежать сбоев во время производства. Учитывая послойную технологию изготовления, которой следует процесс, нет никаких ограничений на общую сложность, которую может иметь деталь. Но некоторые правила были разработаны на основе опыта разработчика принтера или научных кругов, которым необходимо следовать, чтобы гарантировать, что отдельные функции, составляющие деталь, находятся в определенных «пределах осуществимости».
Ограничения принтера
[ редактировать ]Ограничения/ограничения при 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 (с опорой и без опоры) : Толщина стенки в геометрии ограничена разрешением смолы. Опорные стены имеют концы, соединенные с другими стенами. Ниже предельной толщины такая стенка может деформироваться во время отслаивания. Неподдерживаемые стены еще более подвержены отслоению, поэтому для такого случая предусмотрен более высокий предел.
- Вылет (максимальная неподдерживаемая длина и минимальный неподдерживаемый угол) : Выступы — это геометрические элементы, которые не поддерживаются в детали по своей сути. Они должны быть поддержаны вспомогательными структурами. Существует максимальный предел, когда структуры не предоставляются. Это необходимо для уменьшения изгиба под собственным весом. Слишком малые углы приводят к увеличению неподдерживаемой (проецируемой) длины. Следовательно, минимальный предел для этого.
- Максимальный пролет моста . Во избежание провисания балочных конструкций, которые поддерживаются только на концах, максимальная длина пролета таких конструкций должна быть ограничена. Если это невозможно, для компенсации следует увеличить ширину.
- Минимальный диаметр вертикальной стойки : это необходимо для того, чтобы гибкость превышала предел, при котором элемент становится волнистым.
- Минимальные размеры канавок и рельефных деталей : Канавки отпечатаны, а тиснение — это неглубокие выступы на поверхности детали. Элементы, напечатанные с размерами, меньшими допустимых, нераспознаваемы.
- Минимальный зазор между геометриями : Это необходимо для того, чтобы гарантировать, что детали не сплавятся.
- Минимальный диаметр отверстия и радиус кривизны : Небольшие кривизны, которые невозможно реализовать по размерам печати, могут закрыться или сгладиться/сплавиться.
- Минимальные внутренние объемы, номинальные диаметры : Слишком маленькие объемы могут заполниться.
Структуры поддержки
[ редактировать ]
Точка нуждается в поддержке, если: [9]
- Это конечная точка опоры без ребер.
- Если длина свеса больше критического значения
- Он находится в геометрическом центре плоскости без опоры.
При печати опорные конструкции выступают как часть дизайна, поэтому при проектировании учитываются их ограничения и преимущества. Основные соображения включают в себя:
- Поддержка геометрии с малым углом : Малые углы могут привести к неправильному отверждению смолы (проблемы с прочностью конструкции), если опоры не будут обеспечены равномерно. Как правило, за пределами определенного угла (обычно около 45 градусов) поверхность не требует поддержки.
- Выступающее основание : увеличьте толщину профиля у основания, чтобы избежать разрывов. Избегайте резких переходов у основания свеса.
- Выпуск воздушного кармана : без опор при печати деталей с плоской поверхностью и отверстиями в геометрии могут образовываться пузырьки воздуха. Во время печати детали эти воздушные карманы могут привести к образованию пустот в модели. В этом случае опорные конструкции создают пути, по которым пузырьки воздуха могут выйти наружу. [10]
- Совместимость структуры : Учитывать. Поддерживает совместимость для внутренней поверхности тома.
- Ориентация элемента : Сориентируйтесь так, чтобы обеспечить хорошую поддержку свесов.
Ориентация осаждения детали
[ редактировать ]
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 проблемы технологичности можно решить, просто переориентировав деталь. Например, нависающая геометрия с небольшим углом может быть ориентирована так, чтобы обеспечить крутые углы. Таким образом, основные соображения включают в себя:
- Улучшение качества поверхности : расположите деталь таким образом, чтобы исключить дефекты на критической поверхности. С алгоритмической точки зрения поверхность произвольной формы разбивается 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 поверхностей каждого среза. (Может быть аппроксимировано высотой детали)
- Оптимизация структуры поддержки : поддерживаемая область варьируется в зависимости от ориентации. В некоторых положениях можно уменьшить площадь опоры.
- Легкое отделение : переориентация таким образом, чтобы проецируемая площадь слоев изменялась постепенно, облегчает отделение затвердевшего слоя во время печати. Ориентация также помогает удалить опорные структуры на более поздних стадиях.
Рекомендации по плановому DFM
[ редактировать ]Соображения, основанные на плане, в DFM относятся к критериям, возникающим в связи с планом процесса. Эти требования необходимо соблюдать, чтобы избежать сбоев во время производства детали, которая может удовлетворять критериям, основанным на правилах, но может иметь некоторые производственные трудности из-за последовательности, в которой создаются элементы.
Геометрический пошив
[ редактировать ]Модификация некоторых некритических геометрических особенностей детали для снижения стоимости и времени изготовления, а также для создания функциональных прототипов, имитирующих поведение серийных деталей. [11]
Геометрический крой устраняет несоответствие свойств материалов и различия в процессах, описанные выше. Решаются как вопросы функциональности, так и технологичности. Проблемы функциональности решаются путем «подгонки» размеров детали для компенсации аномалий поведения при напряжениях и отклонениях. [11] Проблемы технологичности решаются путем выявления трудноизготовляемых геометрических атрибутов (подход, используемый в большинстве руководств по DFM) или путем моделирования производственных процессов. Для деталей, произведенных с помощью RP (как в SLA), формулировки задач называются геометрической подгонкой материала в процессе (MPGT)/RP. Сначала проектировщик указывает такую информацию, как: параметрическая CAD-модель детали; ограничения и цели по функциональным, геометрическим, стоимостным и временным характеристикам; модели анализа этих ограничений и целей; целевые значения целей; и предпочтения в отношении целей. Затем формулируется задача DFM: разработчик заполняет шаблон MPGT этой информацией и отправляет ее производителю, который заполняет остальную информацию, «релевантную для производства». Имея готовую формулировку, производитель теперь может решить задачу DFM, выполнив GT проектирования детали. Таким образом, MPGT служит цифровым интерфейсом между разработчиком и производителем. Для геометрической адаптации процесса SLA были разработаны различные стратегии планирования процессов (PP). [12] [13]
DFM-фреймворки
[ редактировать ]Ограничения, налагаемые производственным процессом, наносятся на проект. Это помогает выявить проблемы DFM при изучении планов процессов, выступая в качестве метода поиска. В литературе разработаны различные структуры DFM. Эти структуры помогают на различных этапах принятия решений, таких как:
- Соответствие продукта процессу: учет производственных проблем на этапе проектирования дает представление о том, является ли процесс SLA правильным выбором. Быстрое прототипирование может осуществляться различными способами. Обычно беспокоят стоимость и доступность процесса. С помощью этой структуры DFM проектировщик может внести необходимые изменения в конструкцию, чтобы упростить производство компонентов в процессе SLA. [14] Таким образом, эта структура гарантирует, что продукт соответствует производственному плану.
- Распознавание элементов : это осуществляется посредством комплексных задач планирования процессов 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 на стадии разработки. [ нужна ссылка ]
- Соображения о функциональности. В некоторых случаях сборки печатаются напрямую, а не печатаются по отдельности и собираются вместе. В таких случаях такое явление, как растекание смолы, может существенно повлиять на функциональность, что невозможно устранить с помощью простого анализа, основанного на правилах. Фактически, анализ, основанный на правилах, предназначен только для обеспечения границ проекта, но размеры конечной детали должны быть проверены на технологичность посредством рассмотрения на основе плана. В последнее десятилетие в этом направлении проводятся значительные исследования. [15] [16] Фреймворки DFM разрабатываются и объединяются в пакеты. [17]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Проблемы и проблемы 3D-печати: затраты на материалы.
- ^ Бартоло, Пауло. Стереолитография: материалы, процессы и приложения . Спрингер, 2011, с. 130
- ^ Д. Каралекас, А. Аггелопулос, « Исследование усадочных деформаций в акриловой фотополимерной смоле, отверждаемой стереолитографией », «Журнал технологии обработки материалов», том 136, выпуски 1–3, 10 мая 2003 г., страницы 146–150
- ^ Решение проблем оси Z в процессах стереолитографии. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Лан По-Тин, Чжоу Шуо-Янь, Чэнь Линь-Лин, Джеммилл Дуглас (1997). «Определение ориентации изготовления для быстрого прототипирования с помощью аппарата стереолитографии». Компьютерное проектирование . 29 : 53–62. дои : 10.1016/S0010-4485(96)00049-8 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Шьямасундар, Рудрапатна К. « Осуществимость дизайна в стереолитографии », «Основы программных технологий и теоретической информатики», том 761, Springer, 1993,
- ^ Д. Фам, С. Димов, Р. Голт, « Ориентация деталей в стереолитографии », «Международный журнал передовых производственных технологий», том 15, выпуск 9, 01 августа 1999 г., страницы 674-682
- ^ Спецификации|Formlabs
- ^ Перейти обратно: а б «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 сентября 2015 г. Проверено 29 сентября 2015 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ «Поддержка Formlabs» .
- ^ Перейти обратно: а б Самбу С., Ю. Чен и Д. У. Розен, «Гометрический крой: проектирование производственного метода для быстрого прототипирования и быстрой оснастки». Журнал механического проектирования, 2004. 126: с. 1-10.
- ^ Уэст, А.П., Самбу, С. и Розен, Д.В. (2001), «Метод планирования процесса для повышения производительности сборки в стереолитографии», Компьютерное проектирование, Vol. 33, № 1, стр. 65-80.
- ^ Линн-Чарни, К.М. и Розен, Д.В. (2000), «Модели точности и их использование при планировании процесса стереолитографии», Rapid Prototyping Journal, Vol. 6 № 2, стр. 77-86.
- ^ Сусман, Дж.И., Интеграция проектирования и производства для получения конкурентного преимущества. 1992, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
- ^ AGM Michell « Пределы экономии материала в рамных конструкциях », Philosophical Magazine Series 6, Vol. 8, вып. 47, 1904 г.
- ^ Проект оптимальной структуры Мичелла, NACA
- ^ «Структура DFM для проектирования задач аддитивного производства» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 сентября 2015 г. Проверено 29 сентября 2015 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Структура DFM для проектирования задач аддитивного производства. Архивировано 29 сентября 2015 г. на Wayback Machine.
- Геометрическая адаптация для быстрого прототипирования и быстрой оснастки
- Бутройд, Джеффри; Найт, Вашингтон (Уинстон Энтони), 1941-; Дьюхерст, П. (Питер) (1994), Проектирование изделия для производства и сборки , М. Деккер, ISBN 978-0-8247-9176-6
{{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )