Учеб. пособие [для студ. выс. учеб. заведений] / А.И. Грабченко, Ю.Н. Внуков, В.Л. Доброскок, Л.И. Пупань, В.А. Фадеев ; под ред. А.И. Грабченко. – Харьков: НТУ “ХПИ”, 2011. – 416 с.
В учебном пособии излагаются интегрированные генеративные технологии макро-, микро- и наноуровней. Рассмотрены современные тенденции развития машиностроительного производства, технологии послойного выращивания изделий или их частей как реализацию парадигмы изготовления “снизу-вверх”, имеющей огромный потенциал совершенствования производства. Отражены мировой опыт и достижения в области интегрированных технологий. Для студентов высших учебных заведений.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 13
Раздел 1 Интегрированные генеративные технологии и их место в современном производстве 16
1.1 Основные тенденции развития современного производства 16
1.2 Интегрированные технологии современного производства и их составляющие 24
1.3 Интегрированные генеративные технологии и их уровни 30
1.4 Вопросы для самостоятельного контроля 36
Раздел 2 Физические основы послойного выращивания изделий 37
2.1 Процессы послойной материализации 3D электронного образа изделий 37
2.2 Генерирование из жидкой фазы 38
2.3 Генерирование из твердой фазы 40
2.4 Генерирование из газовой фазы 45
2.5 Генерирование из плазмы 46
2.6 Другие методы генерирования 47
2.7 Элементы, образующие слои при генерировании изделия 48
2.8 Вопросы для самостоятельного контроля 50
Раздел 3 Генеративные интегрированные технологии макроуровня 51
3.1 Место интегрированных генеративных технологий макроуровня в создании изделий 51
3.2 Структура генеративных технологий макроуровня 53
3.3 3D CAD моделирование и создание электронного образа (модели) послойного изделия 58
3.4 Системы 3D CAD моделирования в генеративных технологиях 61
3.4.1 Машиностроительные САПР 61
3.4.2 Система Power Solution (Delcam) 62
3.4.3 Система Unigraphics (Unigraphics Solution) 62
3.4.4 Система CATIA (Dassault Systemes) 63
3.4.5 Система Pro/Engineer (Parametric Technology Corporation) 63
3.4.6 Системы САПР среднего уровня 63
3.4.7 Описание 3D образов изделий STL-файлами 64
3.5 Общие черты генеративных способов материализации 3D CAD моделей изделий 65
3.6 Сущность основных генеративных способов материализации 3D CAD модели изделий 66
3.6.1 SLA (Stereo Lithographies Apparatus) – лазерная стереолитография 66
3.6.2 SLS (Selective Laser Sintering) – избирательное лазерное спекание 72
3.6.3 3DW (Three Dimensional Welding) – трехмерная наплавка (сварка) 74
3.6.4 BPM (Ballistic Particle Manufacturing) – изготовление с использованием баллистики частиц 74
3.6.5 DMD (Direct Metal Deposition) – прямое нанесение металла 74
3.6.6 FDM (Fused Deposition Modeling) – моделирование оплавлением 76
3.6.7 GPD (Gas Phase Deposition) – осаждение из газовой фазы 78
3.6.8 HIS (Holographic Interference Solidification) – отверждение голографической интерференцией 78
3.6.9 LENS (Laser Engineering Net Shaping) – формирование с помощью лазерной инженерной сети 78
3.6.10 LLM (Layer Laminate Manufacturing) – способ моделирования наслаиванием 79
3.6.11 MJM (Multi Jet Modeling) – многоструйное воспроизведение 82
3.6.12 MJS (Multiphase Jet Solidification) – отвердение многофазной струи 83
3.6.13 RMPD (Rapid Micro Product Development) – быстрое изготовление микроизделий 83
3.6.14 SGC (Solid Ground Curing) – отверждение плотного основания 84
3.6.15 TDP (Three Dimensional Printing, 3D Printing) – трехмерная печать 85
3.6.16 Гибридные технологии послойного выращивания 86
3.7 Классификация генеративных технологий макроуровня 88
3.7.1 Принципы систематики 88
3.7.2 Классификация интегрированных генеративных технологий макроуровня 89
3.7.3 Комплекс энергетических признаков 90
3.7.4 Комплекс материаловедческих признаков 93
3.7.5 Комплекс технологических признаков 94
3.7.6 Комплекс инструментальных признаков ГТ 95
3.7.7 Комплекс признаков формообразования ИГТ 97
3.7.8 Примеры приложения принципов классификации к генеративным технологиям макроуровня 100
3.7.9 Информационная система поддержки принятия решений по использованию интегрированных генеративных технологий макроуровня 101
3.8 Примеры систем генеративных технологий 103
3.8.1 Система лазерной стереолитографии на базе установки SLA 5000 103
3.8.2 Система избирательного лазерного спекания на базе установки Vanguard Si2 SLS 107
3.8.3 Измерительная система на базе сканирующей установки Imetric Iscan II 109
3.9 Используемые материалы 114
3.10 Особенности базирования и выбор ориентации изделия в процессе его послойного выращивания 117
3.11 Принцип обратимой структурной декомпозиции и трансформации изделий при их послойном выращивании 121
3.12 Качество и точность твердотельных изделий, изготовленных по генеративным технологиям 126
3.12.1 Аналитические погрешности генеративных технологий макроуровня 126
3.12.2 Погрешность формообразования 129
3.12.3 Элементы погрешности формообразования 131
3.12.4 Параметризация элементов погрешности 132
3.12.5 Оптимизация толщин наращиваемых слоев 140
3.12.6 Сравнительная оценка качества поверхности изделий, изготовленных по генеративным технологиям 143
3.13 Доработка изделий после послойного выращивания (постпроцессы) 149
3.14 Верификация твердотельных изделий, их прототипов и моделей 150
3.15 Технологическое время изготовления изделий послойным выращиванием (на примере SLA) 152
3.15.1 Модель технологического времени создания изделия 153
3.15.2 Время послойного построения изделия 155
3.15.3 Время построения технологических опор 159
3.15.4 Конечная модель времени послойного создания изделия 160
3.15.5 Анализ модели технологического времени 162
3.15.6 Время изготовления изделия, разделенного на части 166
3.16 Обобщенная модель времени полного цикла изготовления изделий генеративными технологиями макроуровня 171
3.17 Интеграция генеративных технологий ускоренного изготовления и прототипирования инструмента, технологической оснастки и промышленных изделий 175
3.18 Инструментальное оснащение и производство оснастки и изделий – Rapid Tooling и Rapid Manufacturing 178
3.19 Методы прямого изготовления 181
3.19.1 Оснастка, изготовленная по способу стереолитографии – инжекционная литейная форма (AIM ТМ) 182
3.19.2 Оснастка, изготовленная по способу слоистых объектов (LOM) 182
3.19.3 Оснастка, изготовленная по способу селективного лазерного спекания (SLS) 183
3.19.4 Оснастка, изготовленная по способу трехмерной печати (3DP) 186
3.20 Методы непрямого изготовления 186
3.20.1 Литье в песчаные формы 187
3.20.2 Точное литье по выплавляемым и выжигаемым моделям 188
3.20.3 Литье в эластичные силиконовые формы 189
3.20.4 Центробежное литье 190
3.20.5 Гальванопластика 191
3.20.6 Процесс 3D KeltoolТМ 192
3.21 Экономичность интегрированных генеративных технологий 193
3.22 Потенциал и перспективы развития 197
3.23 Вопросы для самостоятельного контроля 199
Раздел 4 Интегрированные генеративные технологии переходного см-мм уровня 202
4.1 Основные понятия 202
4.2 Классификация способов наплавки 203
4.3 Электродуговая наплавка 205
4.3.1 Ручная дуговая наплавка 206
4.3.2 Дуговая наплавка в защитном газе плавящимся электродом 208
4.3.3 Дуговая наплавка под флюсом 209
4.3.4 Вибродуговая наплавка 210
4.3.5 Вакуумно-дуговая наплавка 212
4.3.6 Технология и техника электродуговой наплавки 213
4.4 Электрошлаковая наплавка (ЭШН) 217
4.4.1 ЭШН электродными проволоками 219
4.4.2 ЭШН электродными лентами (ЭШНЛ) 221
4.4.3 ЭШН электродами большого сечения 222
4.4.4 ЭШН зернистым присадочным материалом 225
4.4.5 ЭШН жидким присадочным металлом 226
4.5 Плазменная наплавка 228
4.6 Индукционная наплавка 231
4.6.1 Погружение подогретой детали в форму-тигель с расплавленным металлом 232
4.6.2 Центробежная наплавка деталей цилиндрической формы 233
4.6.3 Расплавление порошковой шихты, нанесенной на наплавляемую поверхность детали 234
4.7 Газовая наплавка 235
4.8 Электроконтактная наплавка (плакирование) 236
4.9 Плакирование сваркой взрывом 237
4.10 Компьютерные системы проектирования наплавочных технологий 238
4.11 Преимущества и недостатки технологии наплавки 240
4.12 Вопросы для самостоятельного контроля 243
Раздел 5 Интегрированные генеративные технологии переходного мм-мкм уровня 244
5.1 Основные понятия 244
5.2 Классификация методов послойного газотермического выращивания покрытий 245
5.3 Технологии послойного газотермического наращивания покрытий 248
5.3.1 Газопламенное наращивание 248
5.3.2 Детонационное покрытие 251
5.3.3 Электродуговая металлизация 252
5.3.4 Метод выращивания покрытий из плазмы 254
5.3.5 Высокочастотное плазменное наращивание (ВЧ – плазменное напыление) 255
5.3.6 Индукционный метод наращивания покрытий 257
5.4 Преимущества и недостатки газотермических технологий наращивания покрытий 259
5.5 Применение газотермических покрытий 261
5.6 Вопросы для самостоятельного контроля 264
Раздел 6 Интегрированные генеративные технологии микроуровня 265
6.1 Основные понятия 265
6.2 Механизмы образования покрытий методом испарения или распыления и конденсацией в вакууме 270
6.3 Вакуумные методы выращивания покрытий 274
6.4 Ионное (катодное) распыление 280
6.5 Ионно-термическое выращивание 283
6.6 Выращивание покрытий из плазмы электродугового разряда с горячим катодом 285
6.7 Выращивание покрытий из плазмы электродугового разряда с холодным катодом 286
6.8 Метод активированного реакционного испарения 288
6.9 Электронно-лучевое плазменное выращивание покрытий 291
6.10 Синтез многослойных ионно-плазменных покрытий в одновакуумном цикле 293
6.11 Метод ионного осаждения 294
6.12 Методы оценки качества пленочных покрытий 295
6.13 Работоспособность режущих инструментов с покрытиями 299
6.14 Заключение 312
5.15 Вопросы для самостоятельного контроля 312
Раздел 7 Интегрированные генеративные технологии наноуровня 314
7.1 Особенности реализации интегрированных генеративных технологий на нанометровом уровне 314
7.2 Основные термины и определения 316
7.3 Генеративные методы получения наноматериалов 321
7.3.1 Элементарные объекты интегрированных генеративных нанотехнологий 321
7.3.2 Атомно-молекулярная сборка (механосинтез) с помощью сканирующей зондовой микроскопии 322
7.3.3 Самосборка 327
7.3.4 Атомные кластеры как элементарный объект нанотехнологий 331
7.3.5 Наноориентированные технологии конструирования поверхности 334
7.3.5.1 Нанослойные покрытия 335
7.3.5.2 Нанокристаллические покрытия 337
7.3.5.3 Многослойные наноструктурные покрытия 339
7.3.6 Углеродные наноматериалы и их получение 340
7.3.6.1 Фуллерены 341
7.3.6.2 Углеродные нанотрубки 347
7.4 Основные свойства наноматериалов 349
7.4.1 Особенности структуры наноматериалов 350
7.4.2 Механические свойства 354
7.4.3 Физические свойства 359
7.4.4 Химические свойства 361
7.4.5 Классификация наноматериалов 362
7.5 Основные области применения наноматериалов и нанотехнологий 366
7.5.1 Создание нового поколения конструкционных материалов 366
7.5.2 Создание нового класса инструментальных наноматериалов 368
7.5.3 Функциональные покрытия 369
7.5.4 “Интеллектуальные” материалы 370
7.5.5 Молекулярная и наноэлектроника 372
7.5.6 Нанофотоника 377
7.5.7 МЭМС и НЭМС-технологии 380
7.5.8 Нанобиотехнология и наномедицина 383
7.6 Хронология создания и развития нанотехнологий 385
7.7 Потенциал и перспективы развития 392
7.8 Вопросы для самостоятельного контроля 397
Заключение 400
Приложение 402
Литература 408