Курсовая работа (т): Технология быстрого прототипирования оптических изделий

Мошка представляет собой большое скопление в массе стекла мельчайших пузырей, занимающих значительную часть его объёма. Мошка вызывает рассеяние большого количества проходящего через стекло света.

Дымки имеют вид паутины или легкой волнистой дымки в среде стекла. Происходят в основном от спекания складок, образующихся в процессе прессовки, а также при спекании ранее не замеченных трещин.

Свили наблюдаются в массе стекла в виде прозрачных полосок или нитей вследствие неодинакового показателя преломления массы стекла.

Напряжения возникают вследствие неоднородности стекла, вызываемой, как правило, его неравномерным охлаждением в процессе изготовления. Механически напряжённое состояние стекла вызывает так называемое двойное лучепреломление. В обычных условиях двойное лучепреломление незаметно на глаз, и определяется проверкой стекол при помощи специального прибора - полярископа. Непосредственно в оптических деталях напряжения (и соответствующее двойное лучепреломление) могут возникать под действием собственной массы детали, или давления на стекло при закреплении его в оправах[5].

Технологические дефекты органического стекла:

Внутренние напряжения

Из-за усадки отлитая оптическая деталь по точности поверхности не соответствует оформляющим поверхностям литьевой формы. Качественные оптические детали - без внутренних напряжений (с меньшей степенью двулучепреломления) можно получить подпрессовкой в литьевой форме (способом литьевого прессования).

Наиболее рациональным и высокопроизводительным методом изготовления большинства оптических деталей массового и крупносерийного производства из термопластов является литье под давлением. Крупногабаритные линзы Френеля, полученные этим методом из ПММА, обладают высокими внутренними напряжениями, оптической неоднородностью и невысокой точностью воспроизведения френелевской поверхности: радиус закруглений зубцов достигает 0,1-0,2 мм, что резко снижает величину светопропускания линзы. Поэтому литьем под давлением изготавливаются оптические детали размером не более 100 мм.

1.3     Применяемые материалы

Полистирол

Полистирол - жёсткий, хрупкий, аморфный полимер с высокой степенью оптического светопропускания, невысокой механической прочностью. Полистирол имеет низкую плотность (1060 кг/м³), усадка при литьевой переработке 0,4-0,8 %. Полистирол обладает отличными диэлектрическими свойствами и неплохой морозостойкостью (до −40 °C). Имеет невысокую химическую стойкость (кроме разбавленных кислот, спиртов и щелочей).

Растворяется в ацетоне, толуоле, дихлорэтане, медленнее в бензине. Не растворим в воде. Термопластичный материал. Полистирол легко формуется и окрашивается. Хорошо обрабатывается механическими способами. Хорошо склеивается. Обладает низким влагопоглощением, высокой влагостойкостью и морозостойкостью.

Выпускается в виде прозрачных гранул цилиндрической формы, которые перерабатываются в готовые изделия литьем под давлением либо экструзией при 190-230 °С. Широкое применение полистирола (ПС) и пластиков на его основе базируется на его невысокой стоимости, простоте переработки и огромном ассортименте различных марок.

Наиболее широкое применение (более 60 % производства полистирольных пластиков) получили ударопрочные полистиролы, представляющие собой сополимеры стирола с бутадиеновым и бутадиен-стирольным каучуком. В настоящее время созданы и другие многочисленные модификации сополимеров стирола.

Из полистиролов производят широчайшую гамму изделий, которые в первую очередь применяются в бытовой сфере деятельности человека (одноразовая посуда, упаковка, детские игрушки и т. д.), а также строительной индустрии (теплоизоляционные плиты, несъемная опалубка, сандвич панели), облицовочные и декоративные материалы (потолочный багет, потолочная декоративная плитка, полистирольные звукопоглощающие элементы, клеевые основы, полимерные концентраты), медицинское направление (части систем переливания крови, чашки Петри, вспомогательные одноразовые инструменты). Вспенивающийся полистирол после высокотемпературной обработки водой или паром может использоваться в качестве фильтрующего материала (фильтрующей насадки) в колонных фильтрах при водоподготовке и очистке сточных вод. Высокие электротехнические показатели полистирола в области сверхвысоких частот позволяют применять его в производстве: диэлектрических антенн, опор коаксиальных кабелей. Могут быть получены тонкие пленки (до 100 мкм), а в смеси с со-полимерами (стирол-бутадиен-стирол) до 20 мкм, которые также успешно применяются в упаковочной и кондитерской индустрии, а также производстве конденсаторов.

Полиамид - это целая группа различных синтетических волокон, среди которых - капрон, нейлон, силон. Основные свойства изделий из полиамидов: достаточная жесткость, гладкость поверхности, легкость, высокая формоустойчивость и прочность, низкая светостойкость, малая гигроскопичность (что является причиной их повышенной электризуемости), стойкость к истиранию и ударным нагрузкам, устойчивость к выцветанию. Для устранения этих недостатков в полиамиды вводят различные стабилизаторы. Полиамидны волокна устойчивы к действию многих химических реагентов, хорошо противостоят биохимическим воздействиям, окрашиваются многими красителями. Максимальная рабочая температура волокон из алифатических полиамидов 80-150 °С, волокон из ароматических полиамидов - 350-600 °С. Полиамидное волокно, как и полиэфирное, не горит, но плавится без запаха, образуя на конце мягкий шарик. Полиамидные волокна растворяются в концентрированных минеральных кислотах, феноле, крезоле, трихлорэтане, хлороформе и др.

Полиамидные ткани были одни из первых синтетических тканей, вышедших на рынок; народное имя «синтетика» долгое время относилось исключительно к ним.

Полиамидные волокна и нити широко используются предприятиями текстильной и легкой промышленности для производства таких видов продукции, как синтетические и смесовые ткани бытового и технического назначения, пряжа, трикотажные полотна, чулочно-носочные изделия, искусственный мех, ковровые изделия и др.

Также полиамидные волокна и нити используются при производстве резинотехнических изделий, транспортерных лент, фильтров, рыболовных сетей, канатов, кордных тканей, используемых при изготовлении шин.

АБС пластик - ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом

Обладает следующими свойствами:

Непрозрачный (однако, есть прозрачная модификация) материал желтоватого оттенка. Окрашивается в различные цвета.

Повышенная ударопрочность и эластичность

Нетоксичность

Долговечность

Стойкость к щелочам и моющим средствам

Влагостойкость

Маслостойкость

Кислотостойкость

Теплостойкость 103 °C (до 113 °C у модифицированных марок)

Широкий диапазон эксплуатационных температур (от −40 °C до +90 °C)

Поликарбонаты

Благодаря сочетанию высоких механических и оптических качеств монолитный пластик также применяется в качестве материала при изготовлении линз, компакт-дисков и светотехнических изделий; листовой ячеистый пластик («сотовый поликарбонат») применяется в качестве светопрозрачного материала в строительстве. Также материал используется там, где требуется повышенная теплоустойчивость. Это могут быть компьютеры, очки, светильники, фонари и т. д.

Благодаря высокой прочности и ударной вязкости (250-500 кдж/м²) применяются в качестве конструкционных материалов в различных отраслях промышленности, используются при изготовлении защитных шлемов для экстремальных дисциплин вело- и мотоспорта. При этом для улучшения механических свойств применяются и наполненные стекловолокном композиции.

Полиметилметакрилат (ПММА) - высококачественный аморфный термопластик. (плотность = 1,13 - 1,19 г/см³). Исключительные оптические свойства (в видимой, УФ и ИК областях спектра) и возможность различных модификаций обеспечивают широчайшее применение данного материала в светотехнике, оптике, строительстве, рекламе, сантехнике.

Такое применение ПММА обусловлено следующими факторами:

Оптические свойства: полиметилметакрилата имеет самую высокую прозрачность (светопропускание - 92%) в ряду таких прозрачных материалов, как полистирол, САН-пластик, поликарбонат. Эти качества ПММА используются при получении его сополимеров с пластиками стирольной группы (МС, МНС, МАБС - прозрачный АБС-пластик) для придания последним улучшенных оптических свойств. Наиболее распространенными изделиями из ПММА являются линзы, светофильтры, очки, светильники, световые панели и табло.

Химическая и климатическая стойкость: ПММА стоек к слабым кислотам, растворам щелочей и солей, спиртам, воде, маслам, жирам, в том числе автомобильному топливу. Это позволяет использовать материал в автомобильной промышленности (фары, прозрачные детали интерьера), Материал обладает высокой атмосферостойкостью и стойкостью к УФ-излучению.

Температура эксплуатации: рабочий диапазон температур изделий, полученных из ПММА -от 40^°C до +90^°С.

Электроизоляционные свойства: материал обладает высокими электроизоляционными свойствами

Механические свойства: ПММА характеризуется высокой жесткостью (прочность при растяжении - до 80 МПа), большей чем у других аморфных пластиков, в том числе прозрачных (полистирол, САН-пластик, поликарбонат, АБС-пластик) и, соответственно, стойкостью к царапанью.

Диапазон применения ПММА можно расширить за счет его модификации.

Улучшение стойкости к удару. Введение модификаторов позволяет достичь величин ударной вязкости по Шарпи без надреза - 80 кДж/м², с надрезом - 8 кДж/м²).

Увеличение температуры эксплуатации. Специальные марки выдерживают кратковременный нагрев до 110^°С и охлаждение до -70^°С.

Переработка: Материал характеризуется высокой стабильностью размеров и рекомендуется для точного литья. Параметры литья, в значительной степени, зависят от вязкости материала.

Листы ПММА, полученные экструзией высоковязких марок, применяются в автомобилестроении (внутренняя и внешняя облицовка), рекламе, бытовой технике. Листы, полученные со-экструзией ПММА и АБС-пластика (следует отличать от сополимера АБС и метилметакрилата - так называемого прозрачного АБС) применяются в сантехнике для изготовления ванн, душевых кабин, умывальников.

Материал имеет усадку 0,4-0,7%, что позволяет использовать пресс-формы разработанные под пластик ПММА, для литья поликарбоната и АБС-пластика[6].

Таблица 2.1 - Применение материалов

Глава 2. Исследования поставленных задач

.1 Применение технологии быстрого прототипирования при проектировании оснастки литьевой формы и формообразующих деталей

Основополагающими факторами успеха предприятий в конкурентной борьбе являются высокие потребительские качества выпускаемой продукции, ее надежность при эксплуатации, непрерывное совершенствование производственного процесса.

Методы формообразования деталей в приборостроении, как и в других отраслях, являются определяющими, т.к. от них зависят конфигурация, размеры и качественные показатели деталей. Многономенклатурное, интенсивно развивающееся производство требует сокращения сроков освоения выпуска новых деталей. Особую актуальность приобретает ускорение процессов проектирования и изготовления технологической оснастки для формования деталей. Желательно сразу переносить результаты автоматизированного проектирования в виде геометрических моделей поверхности изделия на формообразующие элементы оснастки (ФЭО), минуя длительные и трудоемкие этапы изготовления макетов и мастер-моделей.

Оперативно решать задачи обновления конструкции и номенклатуры изделий с целью обеспечения их конкурентоспособности, достижения технико-экономической рентабельности можно путем разработки прогрессивных технологических процессов проектирования и изготовления формующего инструмента, позволяющих с наибольшей эффективностью использовать достоинства быстро переналаживаемой оснастки, существенно снизить затраты на подготовку производства новых деталей и перейти от традиционных производственных систем для крупносерийного производства продукции к компьютеризированным производственным системам нового поколения для мелкосерийного производства высокотехнологичной продукции.

Выбор способа изготовления оснастки для мелкосерийного производства деталей имеет важнейшее значение и оказывает большое влияние на его технико-экономические показатели. Так на проектирование и изготовление формообразующей оснастки может затрачиваться до 90 % времени и 80 % трудоемкости от общих затрат на техническую подготовку производства новых деталей. В то же время, производство деталей в современном приборостроении носит преимущественно мелкосерийный характер, что требует создания малооперационных технологических процессов на базе нового оборудования, которое сочетает широкую универсальность с высокой производительностью.

Анализ существующих методов изготовления формообразующей оснастки показал, что для повышения эффективности деталей целесообразно использовать новые перспективные методы технологии послойного синтеза - лазерную стереолитографию и др. Совместное применение системы автоматизированного проектирования - трехмерного 3D геометрическго моделирования и технологического процесса лазерной стереолитографии особенно эффективно при изготовлении ФЭО, т.к. позволяет повысить качество, снизить затраты и провести подготовку производства изделий в сжатые сроки.

Традиционные методы изготовления ФЭО имеют такой существенный недостаток, как необходимость многократного изготовления прототипов, шаблонов, макетов, мастер-моделей, а так же вспомогательной оснастки. Их получение представляет достаточно трудоёмкий, длительный, дорогостоящий процесс, требующий высококвалифицированного ручного труда, что удлиняет сроки подготовки производства, увеличивает трудоёмкость и себестоимость новых изделий[7]. Была спроектирована 3D модель формообразующих деталей в CAD-системе Catia.

В эту формообразующую деталь была отлита полимерная линза. Получились ровные, гладкие поверхности, однако сам материал имел низкую светопропускаемость и ярко выраженный желтый оттенок. При правильном выборе материала отливки мы могли бы получить рабочий прототип линзы.

.2 Изготовление оптических изделий с применением аддитивных технологий

На сегодняшний день наиболее прогрессивной и передовой технологией быстрого прототипирования считается PolyJet.

В процессе работы наносимый слой фотоотверждаемого полимера засвечивается ультрафиолетом сразу же после нанесения, и дополнительного отверждения, в отличие от стандартной технологии стереолитографии, модели не требуют. В качестве материала поддержки для сложных и «нависающих» элементов используется гелеобразный полимер, который впоследствии без особого труда удаляется вручную или с помощью воды.

Формирование структуры получаемого материала и его механических свойств находится под полным контролем автоматики и позволяет не просто получать материалы с заданными эксплуатационными характеристиками (прочностью, упругостью, твердостью, термостойкостью и пр.), но и создавать различные композиты, которые принято называть сейчас Digital Material. Кроме того, становится возможным печать сложносоставных сборок, включающих детали из разных материалов.