Разработка и изготовление деталей авиационной техники на основе 3D моделирования и прототипирования

 

УДК 004.94

РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННОЙ

ТЕХНИКИ НА ОСНОВЕ 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ И

ПРОТОТИПИРОВАНИЯ

Ильющенко Н.В.,  Уланович А.В.

Научный руководитель: ст. преподаватель  Селезнев В.А.

Брянский государственный университет имени академика

И.Г.Петровского

Электронная почта: [e-mail]

Бурное развитие технического прогресса существенно изменило сущность авиационного моделирования. Если ранее создаваемые в технических кружках авиамодели являлись довольно простыми по конструкции и примитивными с точки зрения управляемости и технических характеристик, то широкое развитие разнообразных конструкций радиоуправляемых моделей самолетов, вертолетов и др. технических устройств коренным образом изменили ситуацию в этой области технического творчества. Эти виды моделей по своей конструкции и функциональным свойствам практически не отличаются от своих натуральных прототипов за исключением размеров.  Особая роль, в современных условиях, развитию технического творчества отводится компьютерным технологиям. В этой работе нами предложена апробированная инновационная методика проектирования и производства деталей авиамоделей из пластика на основе компьютерных технологий и прототипирования.

С помощью компьютерных систем можно выполнять объемные 3D модели изделий, что позволяет  на стадии проектирования оценить свойства разработки. Методика «компьютерного инжиниринга», реализованная в ряде компьютерных программ, даёт возможность на основе разработанной объемной модели создавать конструкторскую документацию для дальнейшего изготовления деталей (см. рис. 1) [2]. 

К числу программных продуктов, в полной мере позволяющих решать подобные проектные задачи можно отнести свободно распространяемые интегрированные конструкторско-технологические системы ADEM 7.0 SLt и ADEM 8.1 CAD/CAM/CAPP компании ADEM – авторизованного партнера

AutoDesk. Они содержит все необходимые разделы для черчения, объемного моделирования, оформления конструкторской и технологической документации. Профессиональные программы компании ADEM широко применяются и в авиастроении, ряд деталей самолета Sukhoi Superjet 100 разрабатывались и изготавливались с помощью этой интегрированной конструкторско-технологической системы по безбумажным технология. Инновационные процессы в компьютерных технологиях позволяют объединить преимущества виртуального и физического моделирования.  

 

Рис.1 «Компьютерный инжиниринг» при разработке 3D модели крыла

В настоящее время разработаны  процессы быстрого прототипирования (Rapid Prototyping, RP) – это послойное построение физической модели (прототипа) в соответствии с геометрией CAD-модели.  Промышленные комплексы для прототипирования имеют достаточно широкие возможности и поэтому достаточно дороги для использования в моделировании,   для этих целей авторы разработали  более простую и соответственно дешевую конструкцию  3D принтера на основе  комплекта для сборки подобных устройств RepRap Prusa Mendel [1].

 Для разработки конструкции 3D принтера была выбрана технология FDM, как наиболее приемлемая с точки зрения простоты её реализации в конструкции и дешевизны расходных материалов. При FDM–процессе (FDM– Fused Deposition Manufacturing - послойное наложение расплавленной полимерной нити) термопластичный моделирующий материал, диаметр которого составляет 1,5 или 3 мм подаётся через экструзионную (выдавливающую) головку с контролируемой температурой, нагреваясь в ней до полужидкого состояния (см. рис. 3). Выдавливающая головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание в соответствии с геометрией математической модели детали, разработанной в системе CAD. Математическая модель передается в формате STL в специальное программное обеспечение Insight, которое автоматически оптимальноориентирует ее относительно рабочей зоны установки и разбивает на горизонтальные слои. Затем в Insight (тоже автоматически) определяется необходимость применения поддерживающих элементов для нависающих частей модели. 

Сгенерированные данные передаются на установку, и начинается процесс послойного создания модели.  Головка выдавливает материал с очень высокой точностью. Последующие слои также ложатся на предыдущие, солидифируются (отвердевают), соединяются друг с другом [3]. Создание объемных моделей на этом устройстве производится послойным наплавлением разогретой пластмассы подаваемой в зону контакта. В качестве рабочего материала используется шнур из пластмассы диаметром  3 мм. Маршрут от проектирования до получения готового изделия показан на рис. 2.

 

Рис.2 Маршрут проектирования и изготовления авиамодели из пластика

В качестве моделирующего материала применяется нить диаметром 1.5 или 3 мм из пластика ABS. АБС-пластик (полное название акрилонитрилбутадиенстирол или акрилонитрилбутадиенстирольный сополимер)  имеет аморфную структуру и относится к группе сополимеров стирола, наряду с сополимерами САН, АСА, СБС.  АБС-пластик является одним из наиболее широко применяемых конструкционных термопластов. Материал используется в таких отраслях промышленности, как авиастроение, автомобилестроение, электротехника и электроника и др. Применение АБСпластика в качестве моделирующего материала обусловлено  сбалансированностью механических свойств: высокая жесткость (модуль упругости = 2000 МПа - 2700 МПа) и стойкость к  ударным нагрузкам (ударная вязкость по Изоду стандартных марок на уровне 20-25 кг-см/см), в том числе при низких температурах по сравнению с полистиролом, ударопрочным полистиролом и сополимером САН, это позволяет использовать материал для получения тонкостенных и прочных изделий, что присуще деталям в авиамоделировании. Пластик поставляется в бобинах весом один килограмм и имеет достаточную палитру цветов. После окончания процесса моделирования изделие можно почти сразу использовать для дальнейшей окраски и сборки, поскольку не требуется его длительная последующая доработка. 

Это принципиально отличает процесс FDM от других RP-технологий, в соответствии с которыми процесс доводки моделей требует значительных временных затрат и наличия лабораторий, оборудованных специальными системами вытяжки и охлаждения. 

В результате проведенных технологических исследований принтера получены следующие технические характеристики получаемых моделей:

-                      точность воспроизведения заданных размеров по осям X ,Y и Z  ± 0.1 мм;

-                      шероховатость поверхности в плоскости  X и Y (горизонтально) - Ra 3.2 мкм, в направлении оси Z (вертикально) -  Ra 6.3 мкм;

-                      плотность материала модели – 1,05 г/см³; - предел прочности на разрыв – 2400 МПа (23ºС); - ударная прочность – 130 (при 23ºС).

Предложенная технология позволяет создавать изделия различной сложности без дополнительной доработки, а также получать детали с замкнутыми полостями внутри, что позволяет снизить вес летательного аппарата без снижения его прочности. Описанные аддитивные процессы можно применять для создания деталей сложной формы и для реального авиастроения. Разработанная технология компьютерного проектирования и изготовления деталей из пластика методом прототипирования апробирована на кафедре теории и методики профессионально-технологического образования Брянского государственного университета имени академика И.Г.Петровского в рамках изучения учебной дисциплины «Конструирование и моделирование технических устройств» и даёт несомненные преимущества перед традиционными способами изготовления подобных изделий.

Литература:

1.                  Ильюшенко Н., Уланович А., Селезнев В.А. Компьютерные 3D технологии и прототипирование  при разработке и изготовлении моделей технических устройств.  В сб.: «Научное сообщество студентов XXI столетия»: материалы III  студенческой международной заочной научно-практической конференции. Часть VI. (23 мая 2012 г.) – Новосибирск: Изд. «Сибирская ассоциация консультантов», 2012. С. 147-152.

2.                  Селезнев В.А. Конструирование и моделирование технических устройств. Учебное пособие для студентов специальностям 050501.65 «Профессиональное обучение», 050502.65 «Технология и предпринимательство». – Брянск: Издательство ООО «Ладомир», 2010. – 110 с.

3.                  Ильюшенко Н.В., Селезнев В.А., Уланович А.В. Электронный информационный образовательный ресурс: <Объемное компьютерное 3D моделирование изделий  и их изготовление из пластика методом прототипирования> Свидетельство о регистрации электронного ресурса ОФЭРНиО РАО ГАН №18466 от 24.07.2012.

Краткое описание документа:

Приведены материалы разработанные студентами под руководством  автора и опубликованные  в сборнике научных трудов Проблемы и перспективы развития авиации и авиастроения России: Всероссийская научно-техническая конференция/ Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа: УГАТУ, 2013. В статье  предложена технология изготовления деталей авиамоделей из пластика методом прототипирования на 3Dпринтере. Описан процесс сквозного проектирования - от создания компьютерной 3D модели до получения готового изделия. Материалы будут полезны руководителям кружков технического творчества.