ГеMMa-3D и LOM-технология
Мы уже рассказывали в № 6 за этот год о разработанном в рамках системы ГеMMa-3D программном обеспечении для быстрого прототипирования по SLA-технологии. Напомним читателям, что эта технология (Stereo Litography Apparatus) основана на отверждении лучом лазера тонкого слоя фотополимера.
Базовый пакет операций подготовки данных по технологиям послойного синтеза может быть настроен на любую технологию быстрого прототипирования. В данной статье мы рассмотрим особенности работы пакета в рамках LOM-технологии (Laminated Object Manufacturing — послойное изготовление объекта). Основные преимущества использования пакета таковы:
- как и для SLA-технологии, обеспечена возможность выращивания детали по исходной математической модели любого, в том числе самого низкого, качества (данное утверждение обосновано в упомянутой статье);
- с помощью этого пакета можно выращивать на LOM-установке детали практически любой формы, даже тонкостенные; при этом гарантирована повышенная точность изготовления деталей.
LOM-технология
Общий подход всех технологий быстрого прототипирования состоит в следующем:
- CAD-модель пространственного объекта (детали) разбивается на слои малой толщины, в результате чего получается набор плоских картинок-сечений;
- каждое сечение рисуется средствами специальной установки, и все сечения складываются в стопку. В итоге создается твердая копия исходной математической модели с точностью до толщины слоя.
LOM-технология основана на выжигании лучом лазера излишнего материала из тонкого листа ламинированной пластиком бумаги, пластика, металлической фольги и т.д. (далее условно будем называть это бумагой).
Схема работы LOM-установки показана на рис. 1:
- в рабочую зону установки подается лист бумаги (вырезается из рулона, отрывается от стопы, надвигается специальным механизмом и пр.);
- затем лист наклеивается сверху на основание или на стопу ранее обработанных листов. Склейка происходит при прокатывании специального ролика (обычно это терморолик, нагретый до нужной температуры). Под действием нагрева инициируется клеевой слой листа и очередной слой выращиваемой детали во всех своих точках приклеивается к стопе. При этом в зависимости от типа листа, варианта клеевого слоя, конструкции ролика и высоты стопы для надежного склеивания может понадобиться более одного прохода ролика;
- луч лазера выжигает в наклеенном листе контуры детали и иные линии, нужные для последующей разборки стопы. Программа перемещений луча лазера определяется для каждого сечения детали;
- если это был не последний слой, вся процедура повторяется для следующего слоя.
В результате работы LOM-установки всегда получается одна и та же деталь — блок-параллелепипед, склеенный из листов стандартного формата. Чтобы получить выращенный прототип детали, нужно вручную разобрать блок на части. Разборка блока полностью определяется программами резки слоев лучом лазера.
Нужно сказать, что производители LOM-установок, поставляющие и программное обеспечение для формирования программ резки слоев, тщательно скрывают эти алгоритмы. По крайней мере, нам так и не удалось ни найти описания алгоритмов, ни узнать об их работе от специалистов на выставках. Однако НТЦ «ГеММа» поставляет программное обеспечение без аппаратных средств, поэтому мы вынуждены доказывать, что наши алгоритмы будут не хуже иных. Сделать это можно только при рассмотрении всех аспектов работы алгоритма.
Алгоритм послойного выращивания детали по LOM-технологии предполагает построение некоторой конструкции в блоке LOM-установки вокруг тела детали. Основные элементы этой конструкции — это зона выборки вблизи контура и разделяющие и поддерживающие решетки.
 |
|
Зона выборки вблизи контура
В каждом слое выращиваемый прототип детали представляется набором контуров. Чтобы в результате разборки блока получить прототип детали, узкая зона вблизи каждого контура (для охватывающих контуров — вне контура, для контуров-дырок — внутри его) должна быть выжжена лазером. В системе ГеMMa-3D принята схема оформления зоны выборки вблизи контура, основными элементами которой являются контуры выборки, перемычки и внешняя граница зоны выборки (рис. 2).
Обязательным в этой схеме будет только контур выборки — выжигаемая лазером узкая полоса вокруг исходного контура. Ширина полосы не может быть меньше диаметра луча лазера, причем в смысле увеличения этот размер не ограничен. Общий контур выборки может разделяться на части перемычками, равномерно расположенными по длине исходного контура. Если они заданы, то общий контур выборки делится на участки. Внешняя граница зоны выборки (когда она есть) представляет собой узкую сплошную полоску бумаги — перемычку с основным массивом листа.
Перемычки обеспечивают повышение точности исполнения прототипа детали. В действительности, выращиваемая стопа находится в установке длительное время и многократно (в момент наклейки очередного листа) испытывает сдвигающие усилия и резкие смены температур от воздействия прижимного ролика. А если есть усилия, то будут и перемещения элементов стопы (частей детали) относительно друг друга, что и является основным источником погрешностей в форме детали.
Перемычки связывают всю стопу в единое целое. При их наличии усилия от ролика будут передаваться на всю стопу. Если параметры перемычек заданы правильно, то усилия ролика будут вызывать только упругие деформации перемычек, так что форма детали меняться не будет.
Отметим и другой источник повышения точности выращиваемого прототипа детали и рассмотрим систему управления лучом лазера. Нормальная работа LOM-установки обеспечивается при условиях, если луч лазера не меняет своего диаметра (считаем пятно луча круглым) и мощности и выжигает стопу только на глубину очередного листа. Данные функции выполняет система согласования мощности и скорости перемещений луча LOM-установки. Позволим себе усомниться в 100% эффективности этой системы, ибо любая система управления (особенно перемещениями) инерционна, то есть невозможна ни мгновенная смена направления движения, ни вневременное изменение мощности луча. Скорость перемещений по контуру не постоянна, а является функцией геометрии контура. В острых углах контура движение луча будет замедляться и, как следствие, возникнет пережег — выжженное пятно увеличенного диаметра, проникающее в нижние слои стопы. Для устранения этого дефекта в системе ГеMMa-3D используется алгоритм построения аппроксимированных эквидистантных обходов по контуру, не допускающий резких смен направления контура.
|
|
Разделяющие решетки
Теоретически можно представить себе такой вариант работы LOM-установки, в котором вообще отсутствует необходимость процедуры разборки стопы. Для этого в каждом сечении лучом лазера нужно выжечь весь материал листа вне контуров детали. На практике это невозможно по ряду причин, и в первую очередь из-за слишком длительного времени выжигания всего листа очень мелким «инструментом» — лучом лазера. Для удаления больших массивов лишнего материала во всех LOM-установках используется прием выжигания разделяющей решетки. Такая решетка получится, если на свободном месте каждого листа стопы выжечь один и тот же набор горизонтальных и вертикальных линий. Прорези всех листов совпадут, а стопа будет разделена на отдельные столбики, которые можно легко удалить в процессе разборки.
В системе ГеMMa-3D принято два типа разделяющих решеток — сплошные и с перемычками в точках пересечения линий. Данные перемычки нужны в некоторых сечениях для сохранения целостности стопы.
В процессе работы LOM-установки могут одновременно выращиваться несколько деталей, вследствие чего используются два варианта исполнения разделяющих решеток: решетка блока LOM-установки и решетка внутри блока (габаритного параллелепипеда) детали. Решетка блока LOM-установки заполняет свободное пространство между блоками деталей, а решетка блока детали действует внутри блока.
|
|
Поддерживающие решетки
Разделяющие решетки делят лист на прямоугольные зоны с границами в виде прорезей. Сделаем решетку, так сказать, «наоборот»: сохраним узкие полоски бумаги на границах, всю внутренность прямоугольника выжжем лучом лазера и в результате получим поддерживающую решетку (рис. 3).
Наряду с обычной поддерживающей решеткой в системе ГеMMa-3D используется и мягкая решетка, которая возникает в случае, если в каждом следующем сечении сдвигать точки пересечения границ в центр прямоугольника (рис. 4).
Применение того или иного типа решетки определяется экспериментально и зависит от размеров решетки, материала и толщины листа, параметров работы терморолика. При правильно выбранных размерах поддерживающая решетка в процессе выращивания стопы ведет себя почти так же, как основной массив листа. В то же время при разборке стопы она очень легко сминается или рвется.
Использование поддерживающих решеток требует долговременной работы лазера, так как приходится выжигать большие площади листа. Поэтому применять их следует только в особых случаях, а именно:
- Попытаемся вырастить букву «Н», поставленную вертикально. В ней (и в большинстве
реальных деталей) есть участок резкого перехода от сечения 1 малых размеров
к большему сечению 2 и/или наоборот (рис. 5).
Как правильно обработать такую пару сечений? Выжигание только зоны вблизи контуров ничего не даст: листы будут надежно склеены в зоне перехода от сечения к сечению и разборка будет невозможна (рис. 6).
Выжигание в сечении 1 всей зоны перехода тоже недопустимо, поскольку при больших размерах зоны перехода от сечения к сечению в процессе наклейки очередной лист провиснет настолько, что будет прочно склеен. В результате будет невозможна ни разборка, ни точное сохранение формы детали (рис. 7).
Для правильной обработки нужно модифицировать несколько сечений 1 перед сечением 2: добавить поддерживающую решетку в зоне перехода. Тогда листы будут надежно склеены, без провисания, а в процессе разборки лишний материал оторвется по узким полоскам решетки. Число модифицируемых сечений 1 определяется в зависимости от свойств материала и толщины листа. На рисунке показана зона поддерживающей решетки на два сечения (рис. 8).
- Продолжаем выращивать букву «Н» в зоне повторяющихся сечений 1. Пусть все эти сечения имеют малую площадь, и тогда прочность результирующей детали будет сравнима с прочностью столбиков удаляемого материала. Как убрать лишнее и уберечь деталь от случайной поломки в процессе разборки стопы? Для этого нужно вокруг каждого контура малой площади добавить буферную зону — легко сминаемую поддерживающую решетку (рис. 9).
- Как удалить лишний материал из внутренней полости, открытой вверх или вниз?
Для этого нужно вынуть хотя бы один из столбиков лишнего материала, образованных
разрезающей решеткой, а остальные столбики будут выниматься последовательно,
посредством сдвига в открывшуюся свободную зону. Чтобы вынуть первый столбик,
нужна зона поддерживающей решетки внутри контура-отверстия. Столбик оторвется
от остального массива материала, если сдвигать его в направлении легко сминаемой
зоны решетки (рис. 10).
Предусмотрена также возможность наличия очень глубоких полостей. При выращивании детали контуры отверстия некоторых сечений (например, через каждые 10 мм по высоте) полностью покрываются зоной поддерживающей решетки. При этом столбики внутри отверстия делятся по высоте на кубики. Тогда процесс разборки не зависит от глубины полости, а для очень глубоких полостей он будет вестись по слоям кубиков.
- Выращивание любой детали начинается с первого листа, который прикатывается, а затем, при разборке стопы, отрывается от основания установки. Очевидно, что при отрыве он будет испорчен. Как же сохранить первое сечение выращиваемой детали? В этом случае для первого листа стопы необходимо использовать специальную программу подстилающего листа. В подстилающем листе все области внутри контуров первого рабочего сечения детали заполняются поддерживающей решеткой, поэтому отрыв по решетке, а следовательно, и сохранение первого рабочего сечения детали гарантированы (рис. 11).
Продолжение следует
«САПР и графика» 8'2002
