Development of methodological foundations for computer-aided design and technological preparation of heat-exchange devices of electronic equipment for production by the additive technology method

Avtushenko Aleksandr Aleksandrovich Applicant, Department 904, Moscow Aviation Institute 125480, Russia, Moskovskaya oblast', g. Moscow, ul. Geroev Panfilovtsev, 10, str. 10 a.avtushenko@bk.ru Other publications by this author

Ripetskii Andrei Vladimirovich PhD in Technical Science Associate Professor, Department 904, Moscow Aviation University 125993, Russia, Moskovskaya oblast', g. Moscow, ul. Volokolamskaya, 4 a.ripetskiy@mail.ru Other publications by this author

Для внедрения аддитивных технологий в процесс проектировании и производства теплообменных устройств радиоэлектронной аппаратуры были определены основные этапы печати изделий из металла на 3D-принтере. В связи отсутствия общих теоретических представлений об ориентации синтезируемого изделия в камере 3D-принтера, выделены двенадцать классов нависающих поверхностей. С целью упрощения расчета объёма поддержек для нависающих поверхностей предложено использовать проекции детали при шести базовых положениях. В общем случае процесс выбора оптимального варианта базирования детали на основании минимального объема поддержек представлен из следующих этапов: выбора шести базовых положений; расчет площади и высоты нависающих поверхностей для каждой базы; расчет объёма поддержек для каждой базы; сравнение полученных данных. В результате исследований разработана общая схема проектирования и производства теплообменных устройств методами аддитивных технологий.

Введение

Практика показывает, что главными требованиями, которое предъявляются к теплообменным устройствам (ТУ) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), являются ^{[4, с.9-13; 5, с.4-12; 6, с.53-54; 7, с.1-2]}:

- эффективная геометрия воздушных каналов, при минимальных массогабаритных характеристиках;

- технологическая простота производства;

- возможность быстрой адаптации под конкретные задачи.

Повысить интенсификации работ на этапе проектирования ТУ можно за счёт внедрения новых технологий. Важным фактором при проектировании эффективных ТУ является повышение качества и сокращение сроков выполняемых работ, что достигается путем автоматизации, на основе применения систем автоматизированного проектирования типа CAD/CAM.

Сегодня бурно развивается сфера аддитивных технологий (АТ), смысл которых заключается в послойном синтезе заготовок при помощи лазерного спекания материала. Использование АТ позволяет сократить затраты на проектирование изделий приборостроения, изготовление оснастки и малых партий деталей ^{[1, с.6-18; 3, с.3-15]} (табл. 1).

Таблица 1

Затраты времени (дни) ^[3]

Решить перечисленные проблемы можно путём применения высокоавтоматизированных методов проектирования и производства. В высшей степени данными качествами обладают АТ. Возможности данных технологий дают все основания рассматривать их для производства ТУ. Современное развитие АТ позволяет рассмотреть новые, более экономичные и технологичные способы производства ТУ для РЭА, а также увеличить их эффективность за счет отсутствия ограничений в синтезе геометрически сложных изделий. В связи с чем, целью данной работы является разработка методических основ автоматизированного проектирования ТУ для РЭА при производстве методами АТ.

Определение основных этапов производства ТУ методом АТ

AТ включает в себя ряд этапов, от виртуального описания изделия к конечному физическому формированию. Ниже описаны возможные семь основных этапов АТ для производства ТУ ^{[2, с.18-30; 8, с.43-45; 9, с.604-606; 12, с.8-12]}.

Первый этап: АТ начинается с разработки геометрической модели, которая полностью описывает форму ТУ. Её можно получить практически при помощи любого профессионального CAD-моделирования, важно чтобы модель была трехмерной и сплошной.

Второй этап: Преобразование модели в STL формат - почти каждый 3D-принтер принимает формат файла STL, и почти каждая система автоматизированного проектирования САПР может выводить такой формат файла. Этот файл описывает внешние закрытые поверхности исходной модели и формирует базис для вычисления срезов.

Третий этап: Передача STL файла на 3D-принтер. Файл STL, описывающий ТУ, должен быть перенесен на AТ-машину. Здесь проводятся некоторые общие манипуляции с файлом, уточнение верности размера, положения и ориентации.

Четвёртый этап: Настройка 3D-принтера - перед началом процесса создания изделия должна быть правильно настроена система печати. К её основным настройкам относятся параметры построения: материальные ограничения, источник энергии, толщина слоя, время продолжительности операций и т.д.

Пятый этап: Построение изделия - это в основном автоматизированный процесс. Необходимо контролировать наличие материала, электропитания или программные сбои.

Шестой этап: Изъятие изделия из 3D-принтера - после того, как 3D-принтер завершил синтез, необходимо изъять ТУ.

Седьмой этап: Постобработка заготовки ­ после снятия изделия с машины может потребоваться его дополнительная обработка.

Разработка общей классификации нависающих поверхностей

Существенным ограничением роста применения АТ для производства ТУ является вопрос обеспечения заданной точности и прочности изделий. Данные вопросы решает оператор-технолог, который задает параметры установки и оптимизирует модель для ее выращивания. Основным инструментом для достижения необходимых критериев, обеспечивающих указанные параметры, является оптимизация поддержек ­ элементов синтезируемого ТУ обеспечивающих опору его нависающих поверхностей (НП) над платформой построения ^{[13, с.19]}. Поддержки в основном спекаются из того же материала, что и основное изделие и представляют собой трубчатые и сетчатые элементы, соединяющие платформу с наружной стенкой изделия, тем самым обеспечивая сдерживание деформаций и жесткое фиксирование изделия в заданной области.

Построение поддержек представляет собой сложную многокритериальную задачу. Количественной оценкой поддержки конкретной детали является объем материала, необходимый для её выращивания. С одной стороны уменьшение объема поддержек сокращает время выращивания изделия и требует меньшего материала, с другой стороны сокращение объема материала поддержек может привести к недопустимым вариантам позиционирования детали в камере. Для работы по моделированию поддерживающих структур инженеру-технологу постоянно приходится принимать решение, основанное на компромиссах. С одной стороны, требуется обеспечить требуемые техническим заданием характеристики по точности и прочности, с другой обеспечить технологичность для последующего удаления поддержек и обработки заготовки. Для выполнения всех этих задач у оператора и технолога есть набор автоматических методов построения, а для особо сложных моделей режим ручного построения. Существуют стандартные подходы, но в силу уникальности каждой детали, они не являются универсальными.

В работах, посвященных АТ, в частности оптимизации поддержек ^{[10, с.162-165; 11, с.157-182; 13, с.158-165; 14, с.117-152]} отсутствует чёткое представления о особенностях НП, выраженное в различной терминологии и отсутствии их классификации. Для создания объективной классификации НП были проанализированы их характерные геометрические особенности (площадь, ширина, длина, высота, радиус скругления, угол наклонна к платформе построения и т.д.) на основе чего выделены двенадцать классов по следующим признакам:

- по характеру поверхности (рис. 1);

- по отношению длины к высоте основания (рис. 2);

- по ширине (рис. 3);

- по углу наклона к платформе (рис. 4);

- по кривизне (рис. 5);

- по конструктивным особенностям, где R радиус вогнутой/выпуклой поверхности (рис. 6).

Рис. 1 Виды НП по сложности: а) простой; б) сложный

Рис. 2 По отношению длины к высоте НП: а) длинный ;б) короткий

Рис. 3 Виды НП по ширине: а) широкий;

б) узкий

Рис. 4 Виды НП по углу наклона к платформе: а) параллельный;

б) угловой

Рис. 5 Круговые виды НП: а) выпуклый; б) вогнутый

Рис. 6 Виды НП по конструктивным особенностям: а) наружная;

б) внутренняя

Методика выбора ориентации детали основанная на минимизации объёма поддержек

Согласно проведенным исследованиям, сформированы два основных принципа построения поддержек и прописаны как правила ^{[10, с.162-165; 11, с.32, 157-173; 13, с.158-165; 14, с.117-152]}:

- угловые НП, если они спроектированы c углом наклона более 45 градусов и построены методами расплавление металла в заранее сформированном слое (SLS, SLM, DMLS и пр.), то они являются самонесущими;

- круговые НП, если они спроектированы в диапазоне касательных углов от 28 до 40 градусов, соответствующе подобраны радиусы подрезания, и построенные методами расплавление металла в заранее сформированном слое (SLS, SLM, DMLS и пр.), то они являются самонесущими;

- определение области построения поддержки заключается в определении участков НП, у которых нормали образуют с вектором направленным вертикально вниз угол меньше заданного (рис.7).

Рис. 7 Определения точек поддержки

где αmax ­ максимальное значение угла, при котором строится поддержка

В дополнение к критериям, описанных выше, существуют многие факторы, которые необходимо учитывать при поиске оптимальной ориентации заготовки ТУ:

- увеличить количество перпендикулярных поверхностей;

- увеличить количество горизонтальных поверхностей, обращенных вверх;

- максимизировать количество отверстий с осями перпендикулярных плоскости печати;

- максимизировать площадь поверхности основания;

- минимизировать количество наклонных поверхностей;

- минимизировать общую площадь нависающих поверхностей;

- минимизировать высоту поддержек.

Для ТУ типа термоплата, пример модели на рисунке 8, учесть все данные требования затруднительно, поэтому руководствуются правилом, учитывающим максимум критериев. Из всех перечисленных требований наиболее универсальным требованием является минимизация объёма поддержек.

Рис. 8 Модели термоплаты

Из механики известно, что каждое свободное твердое тело имеет шесть степеней свободы относительно системы координат X, Y, Z. Оно может перемещаться параллельно трем взаимно перпендикулярным координатным осям и вращаться вокруг каждой из них.

Таким образом, для определения положения детали в камере 3D-принтера необходимо и достаточно иметь шесть опорных точек ­ «Правило шести точек». Это правило широко используют при конструировании изделий, где возникают задачи соединения требуемой точностью двух или большего количества деталей. Например: при сборке и регулировке машины и ее механизмов, при обработке деталей на различных технологических операциях, когда деталь необходимо установить и закрепить с заданной точностью на столе станка или в приспособлении.

В общем случае, придание изделию требуемого положения относительно выбранной системы координат называют базированием. При обработке заготовок на станках под базированием понимается придание им требуемого положения относительно элементов станка или обрабатывающего инструмента.

Для разработки методики автоматизации выбора базирования в АТ геометрически сложных деталей с учетом требований будем считать, что при ориентации весь объём под НП до платформы будет заполнен поддержками. В таком случае нужно сравнить максимальные объёмы поддержек при разных ориентациях. Приближенный расчет объема поддержек можно провести путем умножения высоты НП на её площадь.

С целью упрощения расчета объёма поддержек можно использовать проекции детали при 6 базовых положениях (рис. 9-11). При этом согласно теореме Фалеса, высота для угловых и круговых НП меряется из середины соответствующих отрезков на проекции.

Рис. 9 Первая база

Рис. 10 Автоматический расчет площади проекции и высоты НП в SolidWorks для базы №1

Рис. 11 Вторая база

В общем случае процесс выбора варианта базирования детали на основании объемов поддержек состоит из следующих этапов:

1. выбора шести базовых положений;

2. расчет площади и высоты НП для каждой базы;

3. расчет объёма поддержек для каждой базы;

4. сравнение полученных данных.

Соответственно, процесс производства термоплат с применением АТ можно представить в виде схемы изображенной на рис. 12.

Рис. 12 Схема производства термоплат методами АТ

Заключение

Повышение качества проектных работ при производстве ТУ для РЭА возможно за счёт нахождения оптимальных проектных решений, обеспечивающих требуемый уровень надежности при минимизации затрат. Данным требованиям отвечают развивающиеся АТ, позволяющие рассмотреть новые, более экономичные и технологичные способы производства ТУ, а также увеличить их эффективность за счет широких возможностей в вариациях с геометрией изделия.

Значительную долю процесса производства занимает геометрическое моделирование при помощи современных CАПР. К тому же, данная часть проектирования является самой ответственной за качество конечного изделия.

Отсутствие теории автоматизации геометрических построений с учётом специфики метода АТ, существенно ограничивает его адаптацию в производстве ТУ для РЭА. Поэтому центром внимания исследований является разработка методического аппарата автоматизации проектирования геометрической формы ТУ с применением АТ, основывающегося на классификации НП по геометрическим признакам и методе базирования изделия направленного на минимизацию объёма поддержек. Это позволит создавать алгоритмы, которые в свою очередь можно группировать и переводить в технологические регламенты для специалистов по подготовке к производству сложных изделий, как на опытном, так и на серийном производстве.