Технологии послойного прототипирования

Выполнение проектного задания

С 21.04.2020г по 19. 05. 2020 г.

Сдать 20. 05. 2020

Отправить на электронную почту:

vecherkadistobuch@mail.ru

Читать учебник онлайн: стр. 73-86 http://school-zaozernoe.ru/files/tehnologiya_10-11kl.pdf

Ознакомиться с учебными материалами в задании презентациями по темам.

Подготовить проектную работу в виде реферата (15 страниц печатного текста или 25 страниц рукописного текста) на предложенную тему:

Ультразвуковые технологии;

 Плазменная обработка;

 Технологии послойного прототипирования;

 Нанотехнологии;

 Автоматизация технологических процессов.

Правила оформления реферата печатным текстом: 

1.  Используйте шрифт Times New Roman.

2. Традиционно используется кегль 14-й.

3. Межстрочный интервал – полуторный.

4. Ориентация листа – книжная.

5. Поля: 1,5 см для верхнего, 3 см для нижнего, 1,5 см для правого и 2,5 см для левого (1 см – запас для подшивки листов).

6. Листы форма А4, плотность – стандартная для распечатки принтером, цвет белый.

7. Текст печатается только на одной стороне листа. Оборотная должна остаться чистой.

8. Нумерация (арабскими цифрами) проставляется с третьего листа (с введения). 1-й и 2-й листы (титульный и содержание), согласно, не нумеруются, но учитываются в подсчёте.

9. Титульный лист состоит из следующих частей:

— Шапка с полным наименованием школы

— Надпись «РЕФЕРАТ» с названием работы и указанием дисциплины. Форматирование по центру.

— Данные об авторе (ФИО, класс) и учителе (ФИО). Этот блок располагается на 7 – 9 интервалов ниже предыдущего. Обратите внимание на то, что блок располагается справа, но первые буквы строк выстроены в одну линию – добиться такого расположения можно, используя клавишу Tab.

— Заключительный блок с информацией о городе, в котором находится учебное заведение, и годе написания работы. Располагается в самом низу листа, форматирование по центру.

Основной кегль при оформлении титульного листа – 14, но слово «РЕФЕРАТ» и название темы обычно набираются более крупным.

 

10. Содержание располагается на 2-м листе и включает в себя наименования всех частей (введения, глав и параграфов основной части, заключения, списка литературы (иногда с выделением списка источников), приложений).

Для каждого из элементов, кроме приложений, указывается номер страницы.

В верхней части листа пишется: «СОДЕРЖАНИЕ» (без кавычек, верхним регистром). Далее следует информация об элементах работы с форматированием по левому краю, но страницы указываются напротив, с форматированием по левому (используйте клавишу TAB).

Образец оформления содержания:

11. Начинает работу введение.

12. Основная часть реферата делится (за редкими исключениями) на главы. Иногда внутри глав выделяются параграфы (или пункты).

13. Главы начинаются с нового листа.

14. Заключение также начинается на отдельном листе.

15. Заголовки структурных элементов реферата (введения, заключения, списка литературы, наименования глав) оформляются единообразно. Форматирование – по центру.

Не допускается оформление названия одного элемента верхним регистром, другого – нижним.

16. Названия глав, параграфов, пунктов и других элементов работы пишется БЕЗ КАВЫЧЕК.

17. Внимание! После названий глав, слов «Введение», «Заключение», «Приложение» и фразы «Список литературы» ТОЧКА НЕ СТАВИТСЯ!

18. Список литературы оформляется на отдельном листе.

19. Список литературы выстраивается по алфавиту. Работы на иностранных языках, если таковые имеются, учебных работах обычно следуют после русскоязычных.

 

 

Технологии послойного прототипирования

При проектировании различных изделий и подготовке их производства возникает ряд конструкторских, дизайнерских, технологических и организационных проблем. Чтобы проверить собираемость, разбираемость, ремонтопригодность изделия, значение механических, кинематических, аэродинамических и других характеристик конструкции, требуется провести натурные испытания.

Для простых сборных конструкций возможность сборки, разборки и ремонта можно оценить по чертежу. Сложные изделия, имеющие отверстия, внутренние полости и каналы, криволинейные поверхности, создают большие трудности при чтении чертежей и компьютерных изображений даже для опытных конструкторов и технологов. Это вызывает появление ошибок, увеличение времени подготовки производства и затрат.

Изготовление моделей сложных деталей (блока цилиндров двигателя, крыла самолета и др.) является трудоемким и длительным процессом, который может отнимать несколько месяцев. Сократить эти сроки до нескольких дней позволяют технологии послойного прототипирования.

Прототипирование — это создание полноразмерной физической модели объекта по виртуальной (компьютерной) модели.

Суть послойного прототипирования заключается в следующем. Сначала на компьютере создается геометрическая объемная модель детали, которую при помощи специальных компьютерных программ разбивают на множество слоев толщиной 0,01...0,3 мм. Затем каждый их этих слоев «материализуется» с помощью разных технологий послойного прототипирования.

Рассмотрим эти технологии подробнее.

Лазерная и масочная стереолитография. Этот метод используют специальные фоточувствительные полимеры, затвердевающие под воздействием света: при лазерной стереолитографии — света лазера, при масочной — ультрафиолетового света.

Синтез детали методом лазерной стереолитографии начинается с нижнего слоя детали  . Подвижный стол погружается в ванну на толщину первого слоя. Затем специальный нож (ракель) проходит от передней стенки ванны к задней (или наоборот) и удаляет излишки полимера с детали, после чего начинает работать лазер. В сканирующую систему лазера загружается информация о первом сечении модели, и лазерный луч освещает только те участки сечения, где должен быть материал детали. Под воздействием света лазера полимер затвердевает. Точки сечения детали, в которых материала нет, не подвергаются воздействию лазерного луча, и отвердевание полимера в них не происходит.

После «отрисовки» лазером первого слоя подвижный стол опускается на толщину второго слоя, и процесс нанесения полимера и сканирования лазером повторяется. И так далее, до тех пор, пока все слои детали не будут синтезированы. В результате получаем заданную деталь, изготовленную из полимера.

Масочнаястереолитография представляет собой послойное отверждение полимера при экспонировании (освещении) ультрафиолетовым светом через фотомаску (трафарет), прозрачную только в тех местах, где должен быть материал детали.

Метод избирательного лазерного спекания напоминает лазерную литографию, воссоздание слоев детали также происходит при сканировании лазерным лучом. Но в отличие от литографии при спекании используют порошок, частицы которого расплавляются попавшим на них лазерным лучом и свариваются между собой. Для спекания можно использовать как легкоплавкие порошки полимеров (полиамида, полистирола), так и порошки металлов. Данный метод позволяет сразу получить модель из металла, минуя стадии изготовления промежуточных полимерных моделей, литья и механической обработки.

Метод наплавления — это технология послойного прототипирования, при которой каждый слой будущей детали формируется путем выдавливания жидкого термопластичного материала на охлаждаемую основу. Температура выдавливаемого материала незначительно превышает температуру его затвердевания (аналогично созданию надписей на торте шоколадным кремом).

Ламинирование. Деталь изготавливается путем лазерной резки листовых материалов и последующего спекания листов (ламинирования).

Метод трехмерной печати — это метод прототипирования, названный так из-за своей схожести с печатью на струйном, принтере, только вместо краски используется жидкое связующее вещество. На платформу наносят слой керамического порошка необходимой толщины. Затем происходит «печать» слоя: из сканирующей печатающей головки в требуемые точки модели поступает жидкое связующее вещество. Проникая в поры между частицами порошка, оно формирует из них жесткую структуру, образуя тело детали. После изготовления последнего слоя из полостей детали удаляют не- склеенные частицы порошка и проводят тепловую обработку для полного отверждения детали.

Методы послойного прототипирования нашли широкое применение при изготовлении оснастки различных видов для технологических процессов литья (литейных форм, пресс-форм и литейных моделей), а также для измерения аэродинамических характеристик изделий и механических напряжений, возникающих в сложных деталях, и др.

Еще одна область применения прототипирования — медицина.

На основе результатов компьютерных исследований пациента методами послойного прототипирования изготовляют копии человеческих органов или костей, которые используются для моделирования хирургических операций и создания имплантата — органа или устройства, вживляемого в организм. Полученная модель позволяет хирургу лучше понять анатомические отклонения и отработать операционные действия, а также изготовить им-плантат, идеально подходящий пациенту. Модели изготовляют из материалов, близких по своим свойствам к веществу копируемого объекта. Поэтому хирурги могут отрепетировать свои действия при операции, используя те же инструменты, что и в операционной. Это повышает точность хирургических манипуляций и сокращает длительность операции.

Нанотехнологии

Нанотехнологии — это совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность создавать и модифицировать объекты с размерами менее 100 нм. При помощи нанотехнологий изготовляют наноматериалы, а в будущем, возможно, будут производить и нанотехнику.

История нанотехнологий начинается в 1959 году с доклада нобелевского лауреата по физике Ричарда Фейнмана, предложившего метод поатомной (помолекулярной) сборки. Главная идея такой сборки состоит в изготовлении деталей из элементарных «кирпичиков» вещества — атомов или молекул. Такой путь производства отличается от принятого в настоящее время, когда детали получают из естественных, природных материалов путем отделения от заготовок избыточного материала.

Приставка «нано» (от греч. nanos— «карлик») означает миллиардную (Ю^-9) долю чего-либо; нанометр — это миллиардная часть метра, или тысячная часть микрометра. Нанометр сопоставим с размером молекулы. Для сравнения: тонкий человеческий волос имеет толщину около 50000 нм.

Несмотря на то что история нанотехнологий насчитывает уже полвека, реальное их применение стало возможно только в последнее десятилетие. Особенно большие успехи достигнуты в области создания наноматериалов, которые обладают качественно новыми свойствами, в том числе искусственно заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Наноматериал — это материал, содержащий микроскопические искусственно синтезированные структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм. Благодаря этому физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, химические и другие свойства наноматериалов радикально отличаются от обычных свойств макроскопических материалов. Поэтому нанопорошки, нанопленки, нанопокрытия и другие нанопродукты по своим качествам сильно отличаются от свойств веществ, из которых они получены.

Самым известным наноматериалом является фуллерен — открытая в 1985 году новая кристаллическая модификация углерода (ранее известные его модификации — графит и алмаз). Молекула фуллерена содержит от 36 до 540 атомов углерода. Получают фуллерены из сажи от сжигания графита.

Рассмотрим строение наиболее изученного фуллерена С₆₀, молекула которого состоит из 60 атомов углерода. Этот фуллерен представляет собой сферу, образованную 20 шестиугольниками и 12 пятиугольниками (как футбольный мяч), в вершинах которых находятся атомы углерода. Диаметр такой молекулы 0,7 нм. В центре сферы имеется свободное, не занятое атомами пространство. В него можно ввести другие атомы и молекулы, например лекарства, и транспортировать их в этой оболочке к нужному месту в организме.

Если в «углеродный шарик» —фуллерен С₆₀ — вставить «поясок из 10 атомов, получится новая, слегка удлиненная молекула — С₇₀. Изучение фуллеренов привело исследователей к созданию нанотрубок, поверхность которых образуется правильными углеродными шестиуголньниками. Эти трубки-молекулы, длиной до миллиметра и диаметром в несколько нанометров, могут в зависимости от условий получения быть прямыми спиральными, состоять из одного или нескольких слоев (вложенных друг в друга трубок), иметь открытые или закрытые концы, содержать до миллиона атомов – С_1000000.

Углеродные нанотрубки обладают очень высокой прочностью — в 50 - 100 раз прочнее стали (при плотности, в 6 раз меньшей, чем у стали). Нити нанотрубок не боятся высоких температур, могут выдерживать действие вакуума и химических реагентов. Подобная нить диаметром 1 мм может выдержать груз в 20 т! Используя нанотрубки в качестве осей и надев на них колеса – фуллерены, удалось изготовить прообраз нанотехники — наномобиль, передвигающийся по поверхности кристаллов.

Интересно, что при введении молекулы фуллерена внутрь нанотрубки свойства последней кардинально меняются. В зависимости от расположения фуллерена в нанотрубке (в центре, ближе к краю и т. д.) система может проявлять свойства проводника, полупроводника или диэлектрика. В будущем это может стать основой для создания сверхминиатюрных компьютеров, построенных на транзисторах размером в единицы нанометров и скоростью переключения состояния 10 пикосекунд (1 пкс = 10^-12с). Применение нанотрубок в будущем позволит изготовить мониторы с размером пикселя порядка микрометра и электрические провода, способные передавать огромные точки – 10 ⁷ А/см ².

Широкое применение в нанотехнологиях нашли специальные сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ), позволяющие «увидеть» нанообъект. Работа этих микроскопов основана на измерении магнитных, электрических и других сил, возникающих между атомами. Микроскопы СЗМ производят измерения при помощи иглы (с острием размером в один атом), которой «ощупывают» поверхность материала. Компьютер анализирует перемещения и строит на экране картинку, изображающую рельеф поверхности. Таким образом можно видеть атомы и молекулы.

Современные СЗМ умеют измерять не только линейные размеры объектов, но также их магнитные и электрические свойства, твердость, состав

«с характеристики материалов в наномстровых объемах.

На базе СЗМ созданы технологии манипулирования отдельными атомами. С помощью иглы микроскопа можно опознать атом, переместить его на другое место (фигура на рис. 21 собрана из атомов). Располагая атомы на поверхности детали тем или иным образом, можно придавать ей нужные свойства.

Предполагается, что наиболее полно нано- технологии будут реализованы при использовании специальных наномашин — ассемблеров. Ассемблер — это своеобразный сборщик атомов и молекул. Он должен захватывать их, соединять между собой и с базовой поверхностью, а также выполнять другие манипуляции в соответствии с заданным алгоритмом.

Внешне такой ассемблер можно представить себе в виде паука нанометрового размера с несколькими «руками»-манипуляторами длиной в сотню атомов. В теле этого «паука» должны размещаться устройства, управляющие работой манипулятора и содержащие программу всех его действий. Одними «лапами» он будет держаться за поверхность, а другими — атом за атомом складывать сложные молекулярные структуры или устройства из «наноблоков».

Примечательно, что ассемблеры будут обладать способностью к размножению, т. е. смогут копировать себя, создавая себе подобных. Управлять ассемблерами будет человек — оператор, моделирующий на компьютере требуемую молекулярную структуру.

На первый взгляд, создание наномашин кажется научной фантастикой, однако такие машины превосходно функционируют уже тысячи лет. Примером может служить механизм синтеза белка в живом организме, осуществляемый рибосомами с помощью молекул РНК по программе, взятой из ДНК.

Перспективы применения нанотехнологий поражают воображение.

Нанотехнологии позволят:

□ заменить традиционные методы производства изделий их наносборкой непосредственно из атомов и молекул;

□ создать молекулярных роботов-врачей, которые будут «жить» внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения;

□ изготовлять продукты питания при помощи ассемблеров, которые будут воспроизводить те же химические процессы, что и в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, получение молока из травы, минуя корову! Такое производство, не зависящее от погодных условий и не нуждающееся в тяжелом физическом труде, решит продовольственную проблему;

□ осуществить фантастическую идею «космического лифта» из нано- трубок (представьте себе канат, соединяющий землю с космическим аппаратом, по которому скользит лифтовая кабина);

□ устранить вредное влияние человека на окружающую среду за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологии полного разложения существующих отходов с помощью дизассемблеров, — наноустройств, разбирающих вещество на атомы;

□ перейти от двумерной технологии изготовления процессоров к трехмерной технологии и добиться размещения 10¹² логических элементов в 1 см³. Другими словами, разместить процессор Intel Pentium II в кубе с ребром 100 нм.