Т-12

Создание моделей, сложных объектов

1. Современные технологии обработки материалов.

2. Технологии послойного прототипирования. 

Технологии послойного прототипирования.pptx

Современные технологии обработки материалов и прототипирование. 

Для получения какой-либо детали или изделия нужно изменить имеющийся материал, необходимо придать ему нужную форму и размеры, удалить лишнее, то есть осуществить механическую обработку материалов. 

За всю историю своего существования люди придумывают технологии для обработки различных материалов. 

С появлением новых материалов растет количество технологий. Появление новых технологий связано с развитием науки и техники. Рассмотрим основные технологии механической обработки материалов. 

Технологии механической обработки материалов делятся на три группы: 

К технологии обработки без удаления части материала относятся: 

прокатка, прессование, ковка, штамповка, гибка, волочение. 

Прокатка материала – это обжатие материала между специальными валиками для придания ему нужной формы и размеров (так получают металлический прокат). 

Прессование материала – это сжатие нагретого или холодного материала с помощью пресса (так получают фанеру, ДСП, ДВП). 

При ковке по нагретому материалу наносят удары молотками, придавая ему нужную форму и размеры (так получается кованное изделие).

Штамповка – это процесс пластической деформации материала с изменением его формы и размеров на специальных штампах (штамповкой из плоских деталей получают объемное изделие). 

Гибка – это придание материалу нужной формы и размеров в специальных приспособлениях или гибочных станках (так получают гнутые детали и изделия). 

Волочение – это обработка материалов давлением, при которой материал поочередно протягивается через специальные пластины с отверстиями – фильерами (так получают тонкую проволоку). 

К технологии обработки с удалением части материала относятся: 

резание, пиление, вырубка, строгание, долбление, сверление, точение, фрезерование, шлифование, рубка, лущение. 

Резание и пиление – это разделение материала на части при помощи пил, удаление лишнего материала, вырезание отверстий и сложных форм. 

Вырубка - это вырезание части материала с помощью специального штампа, форма которого соответствует форме заготовки. 

Строгание – это обработка материалов резанием для придания им нужной формы, размеров и качества поверхности. Строгание выполняется рубанками или специальными строгальными станками. 

Долбление – это резание конструкционных материалов для получения канавок, гнезд и проушин. Долбление выполняется долотом и долбежными станками. 

Сверление – это обработка материалов резанием для получения сквозных или глухих цилиндрических отверстий. 

Точение – это срезание тонкого слоя материала с заготовки специальным резцом на токарном станке. 

Фрезерование – это резание заготовки специальным инструментом – фрезой. 

Шлифование – это снятие с заготовки тонкого слоя материала с помощью специального абразивного инструмента. 

Рубка – это удаление слоя материала с помощью рубящего инструмента или разрубание заготовки на части. 

Лущение – это срезание с заготовки тонкого слоя материала на специальном лущильном станке. 

К технологиям обработки с измельчением массы материала относятся: размалывание и дробление (разделение материала на мелкие части специальными станками). 

Прототипирование – это создание полноразмерной физической модели объекта по виртуальной, то есть компьютерной модели. Другими словами, сначала на компьютере создают объёмную геометрическую модель детали. Затем с помощью специальных программ эту модель разбивают на множество тончайших слоёв. Толщина слоя составляет от одной сотой до трёх десятых миллиметра. 

После этого каждый из этих слоёв воспроизводят с помощью различных методов, которые называют технологиями послойного прототипирования. 

Перечислим несколько таких методов. 

Теперь познакомимся с каждой из этих технологий поближе. 

Начнём с лазерной и масочной стереолитографии. 

Эти методы основаны на использовании специальных фоточувствительных полимеров, которые под действием света затвердевают. При лазерной стереолитографии на полимер воздействует свет лазера, а при световой – свет ультрафиолета. 

Давайте на примере рассмотрим принцип лазерной стереолитографии. 

Начинается лазерная стереолитография с нижнего слоя детали. 

Подвижный стол погружают в ванну с полимером на толщину первого слоя. Далее специальным ножом, который называют ракелем, удаляют излишки полимера с детали. 

И только после этого начинает работать лазер. Для того, чтобы лазер освещал только те участки сечения, где должен быть материал детали, в сканирующую систему лазера загружают информацию о первом сечении модели. 

Под действием света лазера, полимер затвердевает. Те точки сечения деталей, в которых материала нет, не подвергаются воздействию лазерного луча, и отвердевания полимера в них не происходит. 

После того, как будет обрисован первый слой, подвижный стол опускается в полимер на толщину второго слоя, и процесс повторяется до тех пор, пока не синтезируются все слои детали. В результате такого процесса получается макет детали, сделанный из полимера. 

Масочная стереолитография отличается от лазерной тем, что послойное отверждение полимера происходит при освещении его ультрафиолетовым светом через так называемую фотомаску, то есть трафарет. Фотомаска прозрачна только в тех местах, где должен быть материал детали. 

Есть ещё один метод послойного прототипирования, который посредством сканирования лазерным лучом воссоздаёт слои детали. Это метод избирательного лазерного спекания. 

От метода литографии его отличает то, что при спекании используют порошок. В результате попадания на него лазерного луча, частицы порошка расплавляются и свариваются между собой. 

Для спекания могут использоваться и легкоплавкие порошки полимеров, например, полиамида или полистирола. А можно использовать и порошки металлов. 

Достоинством этого метода заключается в том, что можно сразу получить модель из металла, не изготавливая промежуточных полимерных моделей и не выполняя литья и механической обработки. 

Поговорим о методе наплавления. 

Метод наплавления – это технология послойного прототипирования, при которой каждый слой будущей детали формируется путём выдавливания жидкого термопластичного материала на охлаждаемую основу. 

Эта технология напоминает процесс украшения тортов кремом. 

Температура выдавливаемого материала ненамного выше температуры его затвердевания. 

При ламинировании деталь вырезают из листовых материалов, а затем полученные заготовки спекают или другими словами, ламинируют.

И последняя технология послойного прототипирования, с которой мы познакомимся – это метод трёхмерной печати. 

В названии метода присутствует слово печать. Действительно, эта технология очень похожа на работу обычного струйного принтера, только вместо краски используется жидкое связующее вещество. 

На платформу наносят слой керамического порошка необходимой толщины. После этого печатают слой. Делают это так: из сканирующей печатной головки в требуемые точки модели поступает жидкое связующее вещество. Оно формирует из частиц порошка жёсткую структуру, которая и образует тело детали. 

После того, как последний слой детали будет изготовлен, несклеенные частицы порошка удаляют. Остаётся только проводить тепловую обработку до тех пор, пока деталь полностью не затвердеет. 

Где же используются методы послойного прототипирования? 

Их широко применяют при изготовлении литейных форм, пресс-форм и литейных моделей, для изменения аэродинамических характеристик изделий и так далее. 

Ещё одна сфера использования – это медицина. 

С помощью методов послойного прототипирования изготавливают копии человеческих органов или костей, которые используют для моделирования хирургических операций и создания имплантов. На модели хирургу проще отработать операционные действия или изготовить имплант, который будет подходить человеку. 

Кроме того, модели изготавливают из материалов, которые по своим свойствам очень близки к тому веществу, из которого изготовлен оригинал. Благодаря этому врачи могут повысить точность хирургических манипуляций и сократить длительность самой операции. 

Области применения трехмерной печати 

Архитектура 

3D печать находит широкое применение в изготовлении архитектурных макетов зданий, сооружений, целых микрорайонов, коттеджных посёлков со всей инфраструктурой: дорогами, деревьями, уличным освещением. 

Для печати трёхмерных архитектурных макетов используют дешёвый гипсовый композит, который обеспечивает низкую себестоимость готовых моделей. 

Строительство 

Инженеры из университета Южной Калифорнии создали систему 3D печати для работы с крупногабаритными объектами. Система работает по принципу строительного крана, который возводит стены из слоёв бетона. Такой 3D принтер может возвести двухэтажный дом всего лишь за 20 часов. Рабочим останется только установить окна, двери и провести внутреннюю отделку помещения. 

Мелкосерийное производство 

Профессиональные 3D принтеры постепенно отвоёвывают свои позиции в сфере мелкосерийного производства. Чаще всего данную технологию печати используют для изготовления эксклюзивных изделий, например предметов искусства, фигурок персонажей для участников ролевых интернет-игр, прототипов и концептуальных моделей будущих потребительских товаров или их конструктивных деталей. Такие модели используются как в экспериментальных целях, так и для презентаций новых товаров. 

Функциональное тестирование 

Использование 3D принтеров для функционального тестирования – это один из современных методов инновационных разработок. В большинстве случаев требуется протестировать новый механизм в сборе, но изготовить отдельные компоненты в одном экземпляре слишком долго, дорого и весьма проблематично. На помощь приходят 3D принтеры с различной степенью детализации моделей. 

Медицина 

Использование 3D принтеров в медицине позволяет спасти человеческие жизни. Такие принтеры могут воссоздать точную копию человеческого скелета для отработки приёмов, гарантирующих проведение успешной операции. Всё чаще 3D принтеры используют в протезировании и стоматологии, так как трёхмерная печать позволяет получить протезы и коронки значительно быстрее классической технологии производства. 

Образование 

Использование технологии 3D печати в образовании позволяет получить наглядные пособия, которые отлично подходят для классных комнат любых образовательных учреждений, начиная от детских садов и заканчивая вузами. 

Современные 3D принтеры отлично подходят для классных комнат, поскольку имеют повышенную надёжность, не выделяют во время печати вредных для здоровья продуктов, не предъявляют особых требований к утилизации, не содержат режущих и бритвенных материалов, не имеют лазеров. 

Производство одежды 

Принтеры с технологией 3D печати постепенно осваивают сферу производства одежды, и в первую очередь – производство моделей для высокой моды. 

Не так давно голландский модельер Айрис Ван Херпен представила коллекцию «Напряжение», все модели которой были созданы при помощи 3D печати. Коллекция была представлена на Неделе высокой моды в Париже. 

Станки с ЧПУ (числовым программным управлением) – это автоматизированные станки-роботы, которые могут производить операции по заданной программе без непосредственного участия человека. Такие станки являются важной частью современной автоматизации, применение которой необходимо для сохранения рентабельности и получения прибыли предприятиями, так как является важным условием обеспечения качества и скорости производства. 

Станок с ЧПУ – это сложная программно-аппаратная система, которая может преобразовать блок сырьевого (исходного) материала в сложную деталь для дальнейшего использования в более крупном механизме или машине. 

Самыми простыми словами станок с ЧПУ – это станок с компьютерным управлением. 

Аббревиатура ЧПУ обозначает числовое программное (компьютерное) управление. В ЧПУ-станке обрабатывающий инструмент и заготовка исходного материала управляются с помощью компьютерной программы. 

Полный процесс обработки с ЧПУ зависит от CAD и CAM. CAD означает автоматизированное проектирование, а слово CAM — автоматизированное производство. 

С помощью CAD-программы создается трехмерный дизайн объекта, который станок должен изготовить, и с помощью CAM-программы эта виртуальная модель превращается в реальный трехмерный объект. 

Современные станки с ЧПУ отличаются высокой точностью воспроизведения и могут значительно сократить сроки поставок. 

Обычно, когда речь заходит о станках с ЧПУ, имеются в виду станки, используемые в сфере промышленного производства. Эти машины создают вещи, которые мы используем каждый день. Примеры станков с ЧПУ многочисленны — сюда входят фрезеры, лазерные резаки, граверы, станки электроэрозионной резки, токарные станки, плазмотроны, водорезы и многие другие. 

Формально в их число входят и 3D-принтеры, но аддитивное и экстрактивное производство принято разделять, потому — когда мы говорим о станках с ЧПУ, то имеем в виду механизмы, создающие деталь вычитанием лишнего материала из заготовки, а не добавлением нового. Экстрактивные процессы в производстве принято называть механической обработкой, сокращенно — механобработкой. 

Наряду с 3D-печатью обработка на станке с ЧПУ является наиболее распространенным методом для создания прототипов из файла цифрового программного обеспечения. 

Подобно 3D-печати, ЧПУ использует цифровые модели объектов из файла Computer Aided Manufacturing (CAM) или Computer Aided Design (CAD). Станок с ЧПУ работает, как робот, которому необходимо предоставить инструкции, которые он анализирует и выполняет. 

Сначала создается двухмерная или трехмерная цифровая модель будущего объекта из файла CAD (автоматизированное проектирование), затем кодируется компьютерная программа, которую станок с ЧПУ сможет понять. 

Когда код загружен, оператор станка выполняет тест, чтобы убедиться, что в коде нет ошибок. Этот процесс известен как «пневматический подвод инструмента». Выполнение этой процедуры имеет большое значение, поскольку любая ошибка, которая теоретически может снизить скорость или точность обработки заготовки, будет обнаружена и исправлена. 

Как только отладка завершена, программа вводится в постпроцессор, который преобразует ее в G-код (код, понятный машине — набор инструкций). G-код управляет всеми параметрами производимой операции, такими как координация, скорость подачи, местоположение и скорость инструмента. 

Основные компоненты станков с ЧПУ 

Любой станок с ЧПУ, по существу, состоит из следующих компонентов: 

• Программа обработки деталей. Программа обработки деталей представляет собой серию закодированных инструкций, необходимых для изготовления объекта. Программа управляет движением станка и включением/выключением вспомогательных функций, таких как вращение валика и подача охлаждающей жидкости. Закодированные инструкции состоят из букв, цифр и символов. 

• Устройство для ввода данных. Устройство для ввода данных является средством ввода программы обработки детали в систему управления ЧПУ. Три наиболее часто используемых устройства ввода данных — это устройство ввода с перфоленты, устройство для считывания с магнитной ленты и компьютер при помощи стандартного интерфейса последовательной передачи данных (порт RS-232-C). 

• Устройство управления станком. Блок управления станком (MCU) является сердцем системы ЧПУ. Он используется для выполнения следующих функций: • Чтение закодированных инструкций. 

• Расшифровка закодированных инструкций. 

• Реализация интерполяций (линейных, круговых и спиральных) для генерации команд перемещения по осям. 

• Передача команд движения оси в схемы усилителя для управления механизмами оси. 

• Получение сигналов обратной связи положения и скорости для каждого привода оси.

• Реализация вспомогательных функций управления, таких как включение / выключение подачи охлаждающей жидкости, смена инструмента и т. д. 

• Механизм привода. Механизм привода состоит из схем усилителя, приводных двигателей и шарико-винтовых передач. Основной блок управления подает управляющие сигналы (положение и скорость) каждой оси в цепи усилителя. Сигналы управления усиливаются для приведения в действие приводных двигателей, которые, в свою очередь, вращают шариковинтовые передачи для правильного расположения стола станка. 

• Машина-орудие. Числовое программное управление регулирует различные типы станков. Станок как правило имеет подвижный стол или рабочую голову с инструментом, положение которых друг относительно друга управляется по осям X и Y в плоскости и по оси Z по вертикали. 

• Система обратной связи. Система обратной связи также называется измерительной системой. Она использует датчики положения и скорости для постоянного мониторинга положения, в котором находится режущий инструмент в конкретный момент обработки. Главный блок управления использует разницу между исходными сигналами и сигналами обратной связи для генерации управляющих сигналов, чтобы исправить ошибки положения и скорости. 

Основные типы станков с ЧПУ 

Станки с ЧПУ обычно подразделяются по способам обработки материала. 

• Сверлильные устройства: работают путем вращения и перемещения сверла вокруг и в контакте с блоком исходного материала. 

• Токарные станки: в противоположность сверлильным устройствам, токарные станки вращают блок сырьевого материала против головки бура. 

• Фрезерные станки: предусматривают использование вращающихся режущих инструментов для удаления материала из заготовки. 

• Электрическая и химическая обработка. Существует ряд новых технологий, в которых используются специальные методы резки материала. Примерами являются электронно-лучевая обработка, электрохимическая обработка, электроэрозионная обработка (EDM), фотохимическая обработка и ультразвуковая обработка. 

• Другие режущие инструменты. Существует ряд других новых технологий, в которых для обработки заготовки используются различные материалы. Примеры включают станки для лазерной резки, машины для кислородной резки, станки для плазменной резки и машины водоструйной резки. 

Станки с числовым программным управлением могут работать практически с любым сырьем: алюминий, латунь, медь, сталь, титан, дерево, стекловолокно, пластмассы, полипропилен. 

Классификация станков с ЧПУ по типу движения 

ЧПУ-станки с точечным типом движения 

Для некоторых станков (например, сверлильных, буровых, гайкорезных) необходимо, чтобы режущий инструмент и обрабатываемая деталь были размещены относительно друг друга в определенных зафиксированных позициях, в которых они должны оставаться, пока резак выполняет свою работу. Эти станки известны как машины с позиционной обработкой, а аппаратура контроля, которая регулирует работу станка, осуществляет управление по принципу “от точки к точке”. 

Скорости подачи не нужно программировать. В этих станках каждая ось приводится в движение отдельно. В системе движения «от точки к точке» информация о размерах, которая должна передаваться станку, будет представлять собой последовательность требуемых положений двух шпинделей. 

ЧПУ-станки с контурным типом движения 

Другой тип ЧПУ-станков подразумевает движение заготовки относительно режущего инструмента во время обработки. Эти станки включают фрезеровальные, фрезерно-модельные станки и т. д. и известны как станки с контурным типом движения, по-английски так и называются — CNC router, буквально — “ЧПУ-маршрутизатор”, что говорит о том, что маршрут инструмента в них полностью задается программой. Механизм регулирования, необходимый для их управления, называется устройством контурного управления. 

Контурные станки также могут использоваться в качестве станков с точечным типом движения, но их использование будет выгодным, если только заготовка также не требует выполнения контурной операции. Эти машины требуют одновременного управления осями. В контурных станках относительно расположение заготовки и режущего инструмента должно постоянно контролироваться. Система управления должна быть способна принимать информацию о скоростях и положениях шпинделя машины. Скорости подачи должны быть запрограммированы.

Обратное проектирование - это процесс анализа уже существующих угроз безопасности, вредоносных программ, шпионского ПО и других объектов, с целью понимания их внутренней структуры, алгоритмов и способов работы. 

Обратное проектирование в информационной безопасности используется для выявления уязвимостей и улучшения защиты от атак, а также для исследования новых типов угроз и разработки мер по их предотвращению. 

Для обратного проектирования в информационной безопасности используются специальные инструменты, такие как дизассемблеры, отладчики, декомпиляторы, анализаторы трафика и другие программные и аппаратные средства. 

Образец выполнения задания.pdf