CC BY
0
УДК 621.7; 004
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-10-626-627
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМООБРАЗУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ МИКРОВЫТЯЖКИ, ИЗГОТОВЛЕННОГО ПО ТЕХНОЛОГИИ 3Б-ПЕЧАТИ
М.А. Петров, Д.Х. Чан
В статье проводится оценка точности изготовления деформирующего инструмента для выполнения микровытяжки. Получена метрологическая информация о точности процесса SD-печати деталей и подготовки сборок. При помощи инструментов цифровой метрологии выполнено построение карты отклонений геометрических размеров по результатам сравнения исходной и фактической SD-моделей. Значения отклонений геометрических размеров и формы деталей различаются по технологиям SD-печати.
Ключевые слова: микродеформирование, коэффициент подобия, цифровая метрология, отклонения размеров, SD-сканирование, RV3D Studio, GOMInspect
Введение. С появлением технологий SD-печати открылось направление аддитивного производства, формирующееся и по сей день. Согласно ГОСТ Р ИСО/АСТМ 52950-2022 исходным объектом, подходящим для 3D-печати, является цифровая фасеточная модель, получение которой возможно либо на основании прямого твердотельного (CAD-программы) или полигонального (CAGD-программы) моделирования, либо на основе результатов SD-сканирования, по результатам которого получается облако точек, которые в дальнейшем проходят процедуру полигонизации, одной из разновидностью которой является триангуляция или объединение точек в сетку с базовой ячейкой в виде треугольника. Технологии 3D-сканирования сопровождаются программной частью, которая позволяет обрабатывать облако точек до полигональной модели. Программное обеспечение может включать в себя и модуль оценки геометрических размеров полученной фасеточной модели, проводить сравнение исходной твердотельной геометрии, созданной по чертежу, с геометрией фактической полигональной модели, полученной при помощи 3D-сканирования. Как было показано авторами работы [1], точность соответствия размеров деталей со сложными геометрическими контурами, полученными по традиционным технологиям литья и штамповки, может изменяться в диапазоне 0,05...0,15 мм, зависит от качества полученных 3D-сканов (аппаратное ограничение) и полигонизации точек (умение оператора). И в том, и в другом случае может иметь место и человеческий фактор. Например, неточная калибровка 3D-сканера перед процедурой сканирования и невысокая полигонизация модели. Аппаратная часть SD-сканеров весьма разнообразна. Существуют две большие группы 3D-сканеров: оптические и лазерные. В первых в качестве источника света выступает светодиодная подсветка, а во-вторых, - лазерная подсветка различного класса мощности. Существуют и другие классификационные признаки деления оборудования, которые более подробно рассматриваются в статье [2].
Технологии 3D-сканирования применяются как для крупных объектов, размерами в несколько десятков и сотен метров, так и для мелких объектов, микроэлектронные компоненты. Определяющим фактором является область интереса (field of interest или сокр. FOV), для которой необходимо провести оценку геометрии (размеры, отклонения). Поэтому не всегда при 3D-сканировании для проведения цифровой метрологии преследуется цель получения полной геометрической информации об объекте.
В исследовании выполнялось 3D-сканирование деталей-представителей, а также подсборка и сборка инструмента для микровытяжки. На основании полученной информации были сделаны выводы о качестве 3D-печати и сборки инструмента.
Проведение 3Б-сканирования. Процедура SD-сканирования на основе инфракрасного структурированного подсвета (ИК-СП) выполнялась с применением аппаратного средства RangeVision Neopoint, а полигонизация облака точек - с применением программного обеспечения RV 3D Studio. В табл. 1 представлены технические характеристики 3D-сканера.
Технические характеристики RangeVision Neopoint [3]
Таблица 1
Параметр Значение
Размер области сканирования, мм: 210x130
Принцип работы: ИК-СП
Точность сканирования, мкм: 50
Разрешение (3Б), мкм: 150
Рабочее расстояние, мм: 200.. .300
Режим работы 3Б-сканера: статический и динамический
Количество камер:
- монохромная 2
- цветная 1
Общий вид SD-сканера (выпуск 2023 г., _1-ое поколение)_
Получение облака точек. Перед выполнением 3Б-сканирования выполнялось нанесение белого беспигментного антибликового, матового покрытия Ateco Ghost аэрозольным способом, самоисчезающего через 2.. .3 часа после нанесения. Основной процесс выполнялся в режиме 3Б-сканирования на поворотном столе, который поворачивается посегментно на один полный оборот во время процедуры с шагом, определяемым пользователем. Количество сегментов определяет итоговое количество точек. Согласно рекомендациям производителя, количество сегментов свыше 20 не влияет на увеличение количества точек, а лишь повышает затрачиваемое время на сканирование. Перед основным этапом выполняется калибровка сканера, в конце которой автоматически оценивается отклонение оси поворотного стола.
Подготовка полигональной модели. После выполнения 3Б-сканирования появляются сканы, количество которых соответствует заданному количеству оборотов поворотного стола. При правильной калибровке выполняется автоматическая ориентация и совмещение сканов. Однако, было установлено, что автоматическое совмещение ска-нов осесимметричных объектов размером 15 мм и менее даже при успешной начальной калибровке 3Б-сканера в стационарном режиме сканирования не всегда успешно. Это приводит к необходимости ручного совмещения сканов. Чтобы повысить распознаваемость точек и упростить ручное совмещение сканов осесимметричных объектов, не имеющих отличительных особенностей на разных углах поворота столика, были добавлены точечные чёрно-белые маркеры на поверхность столика, по которым сопрягались сканы в режиме ручного выравнивания. На рис. 1 показан пример результата выполнения 3Б-сканирования матричной вставки. На рис. 1а показана карта расстояния до объекта или карта глубин. Видно, что сканы были объединены программой, однако круговое расположение маркеров (рис. 1в) вместо их локализации (рис. 1б) указывает на некорректное автоматическое совмещение и требуется переход в ручной режим работы. Процедура получения полигональной модели включает в себя следующие шаги: обработка сканов, финальное совмещение сканов, создание полигональной модели и её экспорт в соответствующий формат (stl, obj, ply и другие).
Рис. 1. Сканирование матричной вставки из базового фотополимера (БФП)
Схема микровытяжки. Объекты исследования образуют инструмент для выполнения микровытяжки по схеме «дном вниз», то есть для выполнения операции вытяжки детали «Стаканчик» с размерами менее 10 мм или 08 мм и менее. Инструменты были получены при помощи нескольких технологий 3Б-печати для разных материалов: прямого лазерного спекания (DMLS, материал: титановый сплав ВТ6), масочная стереолитография (LCD, материал: керамоподобный фотополимер или сокр. КПФП) и экструзионная печать (FFF, материал: ПЭТГ). Матричные вставки съёмные и отличаются друг от друга диаметром отверстия, а также оформлением геометрии заходного ребра матрицы (ЗРМ).
Цифровая метрология. Для выполнения оценки точности полигональной модели её противопоставляют исходной CAD-модели. Для этого в программе GOM Inspect после загрузки обеих моделей проводят их взаимное выравнивание, по результатам которого определяется отклонение при совмещении. На первом этапе выравнивание осуществляется либо по одной точке, либо по трём точкам соответствия, выбранным на поверхностях каждой из 3D-моделей. На втором этапе выполняется локальное наилучшее совпадение геометрии.
После совмещения таким образом, чтобы отклонение составляло минимальное значение, строится карта отклонений геометрических размеров по заданной исходной CAD-модели. В дальнейшем инструментами программы возможно определение размеров и отклонений, построение геометрии коррекции (fitting geometry) по методу Гаусса.
В данной статье рассматривались пять объектов: матричная вставка №1 из КПФП (объект I, ЗРМ скруглено постоянным радиусом R=1,5 мм и имеет отверстие 08,2 мм), матричная вставка №5 из ПЭТГ (объект II, ЗРМ скруглено постоянным радиусом R=1,5 мм и имеет отверстие 08,1 мм), нижняя опорная плита из ВТ6 (объект III), сборка верхней части металлического инструмента (объект IV), сборка нижней части металлического инструмента с матричной вставкой из КПФП №1 (объект V). Для них, в зависимости от объекта и дополнительно к карте отклонения геометрических размеров (КОГР) и карте годности по полю допуска, определялись следующие показатели: внешний 0 (внешний диаметр матричной вставки) - показатель I (ПКЗ I), внутренний 0 (диаметр отверстия матричной вставки) - показатель II (ПКЗ II), соосность отверстия и внешнего контура (матричной вставки) - показатель III (ПКЗ III), параллельность плоскости верхней плиты и плоскости прижима - показатель IV (ПКЗ IV), соосность цилиндрической поверхности матрицедержателя и отверстия матричной вставки - показатель V (ПКЗ V), соосность отверстия и внешнего контура прижима - показатель VI (ПКЗ VI), параллельность плоскости матрицедержателя и поверхности нижней плиты - показатель VII (ПКЗ VII), расстояние между отверстиями по большей стороне нижней плиты - показатель VIII (ПКЗ VIII).
Для оценки работоспособности программы на основании твердотельной CAD-модели была сгенерирована stl-модель объекта I и определены контролируемые показатели, указанные выше. Было установлено, что контрольные показатели ПКЗ, кроме ПКЗ II, имеют нулевое отклонение, лежат в поле допуска. Для ПКЗ II требовалось изменить метод вычисления пределов. По умолчанию установленный двухточечный метод приводил к неточному вычислению отклонения. После выбора метода наилучшего соответствия по Гауссу (GG, best fit) ПКЗ II изменился, пределы отклонение стали равны нулю. Таким образом, программа показывает хорошие результаты и может быть использована для проведения цифровой метрологии рассматриваемых объектов.
В случае метода наилучшей аппроксимации или Гауссовского наилучшего соответствия программа возводит в квадрат отклонения выбранных точек или полигонов на поверхности полигональной модели будущей поверхности аппроксимации. Программа суммирует квадратичные отклонения и меняет возможную поверхность аппроксимации до тех пор, пока эта сумма не станет наименьшей.
Результаты исследования. На рис. 2 показан результат сканирования объекта I, КОГР и годность по полю допуска ±0,1 мм. Размеры по боковой внешней поверхности матричной вставки лежат в пределах симметричного допуска ±0,2 мм, а внутренней поверхности - ±0,3 мм. При этом стоит отметить несимметричность цветового поля, что говорит о небольшой овальности внутренней поверхности.
КОГР, [мм] 1,00 m
0.75
Не проходит
0,50 0,25 О
-0,25 -0,50 ■0,75
■1,00 1 ___ ___
±0,3 мм ±0,2 мм
Рис 2. Результат сканирования объекта I
В табл. 2 показаны численные значения отклонений при финальном совмещении сканов. На рис. 3 представлен результат 3Б-сканирования и финальное совмещение сканов объекта III. Согласно результатам измерений, ПКЗ II и VIII для объектов I и III проходят по полю допуска, соответствующему осреднённым значениям совокупности отклонений, связанных с 3Б-сканированием (табл. 3).
Переходная область
Проходит
Рис 3. Сканирование нижней плиты штампа для выдавливания из ВТ6: карта глубин (а), общий вид с камеры (б) и результат автоматического совмещения сканов (в)
Таблица 2
Точность финального совмещения сканов_
Объект Среднее отклонение, мм
I 0,092
II 0,14
III 0,085
IV 0,079
V 0,079
Таблица 3.
Результаты^ оценки точности изготовления и сборки деталей штампов по контрольным показателям [3]
Объект Контроль показателя Номинальное значение/ отклонение Фактическое значение размера/ отклонения Попадание в поле допуска ±0,1 мм
I ПКЗ I 14,0 13,66 нет
ПКЗ II 8,2 8,3 да
ПКЗ III 0 +0,31 нет
II ПКЗ I 14,0 13,44 нет
ПКЗ II 8,1 8,35 нет
ПКЗ III 0 +0,23 нет
III ПКЗ VIII 44,0 44,09 да
IV ПКЗ IV 0 +0,99 нет
ПКЗ VI 0 +0,12 нет
V ПКЗ V 0 +0,32 нет
ПКЗ VII 0 +0,56 нет
Результаты исследования. Выполненное исследование выявило неточности на этапах 3Б-печати и сборки. Значения отклонений показывают, что применение напечатанных деталей без выполнения доводочных операций и механообработки сопрягающихся поверхностей возможно, но для этого требуется учитывать особенности технологии 3Б-печати, структурирование поверхности, усадку и т.д. В связи с этим наиболее рациональным способом будет являться традиционный подход, в рамках которого происходит увеличение или уменьшение размеров с целью последующей механообработки. Текстурирование поверхности, связанное с послойным синтезом объекта, приводит к тому, что на этапе цифровой метрологии строится поверхность аппроксимации с учётом текстуры поверхности и дефектов печати, так как точность сканирования составляет порядка 50 мкм, что в дальнейшем снижает точность попадания размеров в установленное поле допуска.
Список литературы
1. Петров М.А., Эльдиб И.С.А., Азатьян Э.М., Оптическое 3D-сканирование и оценка точности изготовления деталей и прототипов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2019. №12. С. 151 - 158.
2. Петров М.А. Применение технологий 3D-сканирования в заготовительной и машиностроительной практике // РИТМ машиностроения, №4. 2020. С. 32 - 41.
3. Информационный ресурс neopoint.rangevision [Электронный ресурс] URL: https://neopoint.rangevision.com (дата обращения: 27.09.2024).
Петров Михаил Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Чан Динь Хынг, аспирант, tranhung. bk56@gmail. com, Россия, Москва, Московский политехнический университет
FORMULATION OF MANUFACTURING ACCURACY OF A STAMPING TOOL FOR MICRODRA WING MADE BY 3D-
PRINTING TECHNOLOGY
M.A. Petrov, D.H. Tran
The paper evaluates the manufacturing accuracy of a deforming tool _ for microdrawing. Information on the accuracy of 3D-printed parts and _ final assemblies is obtained. With the help of digital metrology tools, the map of geometrical dimensions deviations is constructed based on the results of comparison of initial and actual 3D-models. The values of deviations ofgeometric dimensions and shape of parts differ depends on 3D-printing technologies.
Key words: microforming, scale factor, digital metrology, dimension deviation, 3D-scanning, RV 3D Studio, GOM Inspect.
Petrov Mikhail Alexandrovitch, candidate of technical sciences, docent, petrovma_mospolytech@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Tran Dinh Hung, postgraduate, tranhung. bk56@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 621.7.043
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-10-629-630
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСА
ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА
Е.М. Чунаева
В представленной статье описывается исследование в области обработки металлов давлением, конкретно - исследование процесса штамповки. Работа фокусируется на применении современных методов компьютерного моделирования для прогнозирования износа штамповой оснастки, что является важной составляющей оптимизации производственных процессов. Основное внимание уделяется использованию программного обеспечения QForm, которое является одним из ведущих инструментов в данной области в России. В статье детально анализируются два основных параметра оценки износа, встроенных в программу. Представлены результаты моделирования обратного выдавливания с демонстрацией распределения износа по инструменту, также приводятся данные об износе при изменении начальных условий, таких как коэффициент трения. В заключении подчеркивается, что применение технологий компьютерного моделирования является важной составляющей современного производства и позволяет продлевать срок службы инструмента, оптимизировать производство и повышать качество продукции.
Ключевые слова: штамповка, компьютерное моделирование, износ инструмента, обратное выдавливание, программное обеспечение, обработка металлов давлением.
Штамповка - один из самых распространенных методов обработки металлов давлением. В процессе штамповки инструмент подвергается значительным нагрузкам, что приводит к его износу и, как следствие, к снижению качества продукции и увеличению затрат на производство [1-4]. Для оптимизации процесса штамповки и продления срока службы инструмента широко применяется компьютерное моделирование [5-6].
Оно позволяет исследовать деформации и напряжения в инструменте и заготовке, а также оценивать контактное взаимодействие между ними [7-8]. На основе полученных данных можно прогнозировать распределение износа по контактной поверхности. Современные программные комплексы позволяют учитывать множество факторов, влияющих на износ инструмента, что обеспечивает высокую точность прогнозирования. Также моделирование позволяет выявлять критические зоны инструмента, подверженные наибольшему износу, и оптимизировать его конструкцию для повышения срока службы.
Таким образом применение компьютерного моделирования для прогнозирования износа штамповой оснастки является необходимой частью современного производства. Эта технология позволяет сократить расходы, время разработки и повысить качество продукции.
