CC BY
2
УДК 678:67.2
Анализ технологий изготовления изделий из полимерных композиционных материалов и определение критериев их выбора
В. В. Талапов, В. Г. Мельников
Рассмотрены технологии изготовления изделий из полимерных композиционных материалов. Описаны критерии выбора технологий для обеспечения технических требований к продукции. Представленные данные систематизированы в виде таблиц. Разработан алгоритм выбора технологий изготовления изделий из полимерных композиционных материалов на основе предложенных критериев. Определены направления дальнейших исследований.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, 3D-печать, методы контактного формования, прессование, автоклавное формование, RRIM-технология, RTM-технология, литье под давлением, центробежное литье.
Введение
Активное развитие промышленности и технологий способствует решению все более сложных комплексных задач, возникающих во многих областях. Технологии и оборудование для производства изделий становятся общедоступными и позволяют выходить на рынок небольшим компаниям, а тенденции роста спроса потребителей на кастомизацию изделий дают дополнительный стимул в развитии мелкосерийного (опытного) производства. В такой среде компании, чтобы быть конкурентоспособной, необходимо быстро и качественно удовлетворять запросы потребителей. К тому же производители обязаны следовать политике государств в области охраны окружающей среды, в частности по снижению затрат энергоресурсов. В связи с этим перед компаниями возникает сразу несколько взаимосвязанных задач, а именно: обеспечение технических требований к изделию заказчика, снижение энергозатрат при изготовлении продукции, ее себестоимости, а также общего времени изготовления. Использование полимерных композиционных материалов (ПКМ) позволяет решить такие задачи [1].
Несмотря на привлекательность использования изделий из ПКМ в разных отраслях промышленности, их недостатком является потеря прочности после обработки резанием: сверлением, фрезерованием [2], это, в свою очередь, ограничивает область применения в различных соединениях. В связи с этим технология изготовления изделия из ПКМ должна максимально обеспечивать его форму в соответствии с техническими требованиями для минимизации постобработки. На текущий момент выбор технологии производства изделия из ПКМ является непростой задачей и во многом опирается на личный опыт специалиста, осуществляющего подбор технологии, что при постоянном развитии и появлении новых направлений не всегда позволяет принять рациональное решение. Осложняет эту задачу и то, что информация по технологиям, используемым для производства изделий из ПКМ, не систематизирована. Для того чтобы автоматизировать этот процесс и снизить влияние субъективного фактора, необходимо проанализировать существующие решения с их дальнейшей систематизацией, разработать алгоритм выбора технологий изготовления изделий из ПКМ.
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
Критерии выбора технологии
изготовления изделий из ПКМ
Были выявлены и проанализированы следующие технологии: 3Б-печать, литье (RRIM — Reinfroced Reaction Injection Molding — технология, центробежное литье, литье под давлением), контактное формование (распыление и выкладка), автоклавное формование, прессование. Выбор этих технологий обусловлен тем, что они обеспечивают получение изделий из ПКМ со сложной геометрией (несимметричными частями, полостями, пазами, карманами и т. д.), что является актуальным для современного производства. Формы изделий, получаемых по таким технологиям, представлены на рис. 1. К ним относятся шестерни, подшипники скольжения, кронштейны, тормозные устройства, втулки, т. е. детали, подвергающиеся механической и тепловой нагрузке в процессе эксплуатации.
В качестве критериев для анализа были выбраны: тип используемого полимерного материала, ограничения на массу изделия, объем выпускаемой продукции, время цикла, степень армирования, механические характеристики, уклоны поверхностей, минимальный внутренний радиус, толщина стенки изделия, наличие закладных элементов, шероховатость получаемой поверхности, точность. Выбор этих критериев позволяет охватить максимальный спектр технических требований к изделиям. Критерии в дальнейшем сгруппированы в отдельные группы: «конструкция», «условия», «время».
В группу «конструкция» входят следующие критерии: толщина стенки изделия, внутренний радиус, уклон поверхности, точность, масса изделия, шероховатость поверхности, наличие закладных элементов. Значения критериев приведены в табл. 1.
Информацию, представленную в табл. 1, вносят в базу данных о технологиях изготов-
Все формы
Призматические
Листовые
3D
сЗР
Некруглые Плоские Изогнутые Твердотельные Полые
£92.
Рис. 1. Формы изделий, получаемых по выделенным технологиям Значения критериев группы «конструкция» для выбора технологии производства изделий из ПКМ
Таблица 1
Критерий ЭБ-печать Контактное формование Автоклавное формование RRIM и SRIM RTM-технология Литье под давлением Центробежное литье Прессование
Минимальная толщина стенки изделия, мм 0,5 2 2 0,3 1,5 0,3 2 1,5
Минимальный внутренний радиус, мм 2 6 6 3 6 1,5 3 1,5
Уклон поверхности, - 2 2 0-3 1 1 0-1 1-3
Максимальная обеспечиваемая точность, мм ±0,2 ±0,5 ±0,2 ±0,2 ±0,2 ±0,05 ±0,8 ±0,1
Масса изделия, кг 0,1 1 1 0,1 0,2 0,01 0,1 0,3
Шероховатость поверхности Яа, мкм 100-125 1-500 0,8-6,3 0,5-1,6 0,2-1,6 0,2-1,6 0,5-1,6 0,1-1,6
Закладные элементы Нет Да Да Да Да Да Да Нет
ления изделий из ПКМ, которая в дальнейшем используется для каждого из этапов алгоритма группы критериев «конструкция». Изначально на входе имеется техническое задание на изготовление изделия из ПКМ, где указана необходимая документация. На стадии анализа из технического задания формируется кортеж параметров изделия. В большинстве своем эти параметры схожи с критериями, за исключением ЭБ-модели изделия, необходимой для определения минимально возможного уклона поверхности и массы изделия. Действия в алгоритме выполняются последовательно, после каждого процесса формируется предварительный список решений, использующийся для следующего процесса.
При прохождении алгоритма дополнительно формируются документы «поверхности с технологическими уклонами», «максимально допустимый уклон поверхности», «предварительная масса изделия». Для определения минимального уклона поверхности на основе ЭБ-модели определяются границы раздела и направление формования. Это необходимо для того, чтобы установить поверхности, которым необходим уклон. Уклон поверхности позволяет упростить извлечение изделия из формы без каких-либо деформаций. Некоторые системы CAD (computer aided design) (например, Fusion Э60 и CimatronE) способны выявлять поверхности такого рода при обозначении справочной плоскости, ориентированной по нормали к направлению формования. После определения поверхностей с уклонами необходимо свериться с кортежем параметров изделия, а конкретно с параметром «точность», для определения отклонений размеров прилегающих поверхностей. После построения минимального и максимального отклонений измеряется угол уклона, который определяется как максимально допустимый. Далее происходит поиск в базе данных информации о технологиях по критерию «уклон поверхности», и результат записывается в предварительный список решений. В случае с RRIM-технологией и центробежным литьем за счет малых нагрузок, испытываемых формой в процессе изготовления изделия, возможно использование силиконовых форм для производства небольшой партии изделий, что позволяет задать нулевые уклоны.
Предварительная масса изделия определяется с ЭБ-модели путем загрузки ее в САБ-сис-тему и применения к ней плотности 2,26 г/смЭ, которая является максимальной для полимеров (плотность фторопласта). Многие из полимеров имеют плотность 1—1,4 г/смЭ, поэтому определение массы с увеличенной плотностью предотвратит ситуации с неспособностью в реализации изделия. Алгоритм группы критериев «конструкция» представлен на рис. 2.
Сформировав предварительный список решений по группе критериев «конструкция», выбор технологии продолжают по группе критериев «условия», к которой относятся тип материала, степень армирования, ориентация наполнителя, механические характеристики. Значения этих критериев представлены в табл. 2.
Алгоритм выбора для группы критериев «условия» представлен на рис. Э. Информация с предыдущего этапа поступает в виде предварительного списка решений. Исходя из параметров «тепловые нагрузки» определяется температурный диапазон, в котором будет работать изделие. На основе этой информации, а также информации из базы данных о материалах матрицы осуществляется его подбор, а конкретно его групповая принадлежность. Полимерные материалы, использующиеся в качестве матрицы для производства изделий из ПКМ, подразделяются на термореактивные и термопластичные. Основными отличиями является их переработка. Так, для термопластов необходимы нагрев до заданной температуры и охлаждение, в результате которого материал затвердевает, а в основе термореактивных материалов лежит химическая реакция между двумя и более компонентами (иногда с применением дополнительных систем нагрева для уменьшения времени полимеризации). В связи с этим такие материалы имеют ряд особенностей, а именно: термореактивные материалы отличаются более высокими показателями упругости, твердости и теплостойкости, но при этом не могут быть повторно переработаны [Э]. Термопласты же, наоборот, имеют способность к многократной переработке, но уступают по прочностным характеристикам термореактивным материалам. В табл. Э приведены области применения некоторых видов термопластов.
1ЕТАЛЛ00БРАЬдТКЛ
Формируемые данные
Процессы
Используемая информация
I
Анализ ТЗ
Техническое задание
Формирование кортежа параметров изделия
Кортеж параметров изделия:
минимальная толщина стенки изделия;
минимальный внутренний радиус;
3Б-модель изделия;
шероховатость;
наличие закладных элементов
Предварительный список решений
Поиск технологии
по критерию «толщина стенки»
>
Поиск технологии по критерию «внутренний радиус»
] 1....._
-!
г;-
{ !
Поверхности с технологическими уклонами
Максимально допустимый уклон поверхности
«Щ И--
Ц-
и
Г ^
Масса изделия
*
Определение уклона
Определение предварительной массы изделия
Поиск технологии по критерию «масса изделия»
Определить границы раздела и направление формирования
База данных о предыдущих решениях
Поиск технологии по критерию «уклон поверхности»
Поиск технологии по критерию «точность»
База данных о технологиях изготовления изделий из ПКМ
1----- - ------ ------
Поиск технологии по критерию «шероховатость поверхности»
I
Поиск технологии по критерию «закладные элементы»
Т
Рис. 2. Выбор технологии изготовления изделий из ПКМ в группе критериев «конструкция»
1
2
Таблица 2
Значения критериев группы «условия» для выбора технологии производства изделий из ПКМ
Параметр 3Б-печать Контактное формование Автоклавное формование игам и ЭММ итм- технология Литье под давлением Центробежное литье Прессование
Материалы: термореактивные термопластичные + + + + + + + + + +
Степень армирования, % 10-45 20-60 20-60 5-25 15-65 20-50 5-25 15-65
Ориентация наполнителя Ориентированный Случайный/ ориентирован-ный Ориентированный Случайный Случайный/ ориентирован-ный Случайный Ориентированный Ориентированный
Механические характеристики: предел прочности при изгибе, МПа модуль упругости при изгибе, ГПа 395 28.97 264 9.36 1810 125 344 13.78 1200 47.5 320 11 122 3 750 64
Как видно из табл. 3 в среднем реактопла-сты работают при более высоких температурах, а также имеют более высокие прочностные показатели. Немаловажным преимуществом реактопластов по сравнению с термоОбласти использования некоторых термопластичных и
пластами является их прочное сцепление на границе контакта связующего с частицами наполнителя, достигаемое адсорбцией или химической реакцией связующего с поверхностью наполнителя. Это, в свою очередь, позволяет
Таблица 3
термореактивных материалов
Материал Интервал рабочих температур, °С Прочность при растяжении, МПа Область использования
Термопласты
Полиэтилен высокого давления -70...+70 35 Упаковка (в том числе продуктов), ненагруженные детали машин и оборудования, футляры, изоляция электропроводов и кабелей, защита от коррозии магистральных нефте- и газопроводов
Полистирол -40... +65 50 Оборудование радиотехники и фотографии, электроизоляция
Полиметилметакрилат -60...+100 70 Детали освещения и оптики, остекление в самолетостроении, на наземном и водном транспорте
Поликарбонат -100...+135 60 Точные детали машин и аппаратуры, радио- и электротехника
Политетрафторэтилен -269...+260 35 Химическая, электротехническая, машиностроительная (подшипники) промышленность
Реактопласты
Фенопласт -60...+140 30 Малонагруженные детали, корпуса приборов, панели, электроизоляционные детали
Аминопалст -60...+130 80 Детали осветительной аппаратуры, электротехнические и электроизоляционные детали, изделия бытового назначения
Силикон Moldstar 30 -19...+232 3 Изготовление литьевых форм для литья пластика
Композиты на основе реактопластов
Текстолит -40... + 160 95 Шестерни, втулки, подшипники скольжения
Асботекстолит -60...+250 90 Тормозные устройства, детали теплозащиты и теплоизоляции, лопатки бензонасосов
ШШШМБОТКА
Формируемые
Процессы 2
Используемая
Рис. 3. Выбор технологии изготовления изделий из ПКМ в группе критериев «условия»
3
получать высокие прочностные характеристики конечных изделий.
Немаловажным является способность технологии поддерживать ориентацию наполнителя в заданном направлении. Далеко не все технологии позволяют получать равномерно распределенную структуру наполнителя в изделии и еще меньше могут ею управлять. В случае с автоклавным формованием и прессованием ориентированность наполнителя достигается за счет использования препрегов (материалов-полуфабрикатов). В некоторой степени ориентированное наполнение можно получить использованием ИТМ-технологии и выкладки за счет предварительной укладки волокнистого наполнителя, ориентированного в заданном направлении. Управлять ориентацией наполнителя можно только при помощи двух технологий: 3Б-печати [2, 4] и центробежного формования [1]. При этом ротационная 3Б-печать [4] позволяет управлять ориентацией наполнителя в материале на всем про-
тяжении цикла формования с необходимыми углами, а центробежное литье обеспечивает формирование более градиентной структуры при помощи центробежных сил, что может быть использовано при создании фрикционных покрытий [1]. Остальные технологии получают структуру без возможности ее изменения. Дополнительно в алгоритме группы критериев «условия» определяется степень армирования за счет привлечения базы данных о предыдущих решениях либо, при отсутствии аналогов, на основе экспертной оценки формовщика.
Сформированный список решений переходит на следующий этап, где должны быть выбраны технологии в зависимости от требований заказчика относительно сроков исполнения и размера партии. Здесь участвуют такие критерии, как время цикла и объем продукции (табл. 4).
На основе параметров «объем производства» и «срок реализации» определяется мак-
Таблица 4
Значения критериев группы «время» для выбора технологии производства изделий из ПКМ
Показатель ЭБ-пе-чать Контактное формование Автоклавное формование игам и ЭММ итм- технология Литье под давлением Центробежное литье Прессование
Время цикла 30 мин 30 мин -24 ч 30 мин -24 ч 30 с -5 мин 10-20 мин 3 с -15 мин 10-20 мин 30 с -5 мин
Объем продукции, шт./год 1-102 1-5•102 5•102-10Э 102-3 • 103 104-105 104-106 10-103 5•103-106
симально допустимое время изготовления изделия. Как видно из табл. 4, 3Б-печать [5] и методы контактного формования изделий из ПКМ являются отличным решением для производства опытных (мелких) партий до 100 штук. Центробежное литье ввиду длительности процесса более целесообразно при изготовлении мелких серий изделий, равно как и автоклавное формование. Такие технологии, как ИТМ, литье под давлением, прессование ориентированы более на среднесерийное (массовое) производство, что во многом обусловлено обеспечением высоких технических требований к оснастке, повышенной науко-емкости при пусконаладочных работах, широкой номенклатурой используемого оборудования. Однако ИШМ-технология [6] за счет возможности использования в качестве материалов оснастки модельных пластиков (алюминия) (вследствие низкого давления впрыска) может быть с легкостью переориентирована с опытных партий на серийное и даже массовое производство. Затем осуществляет-
ся поиск по этой информации в базе данных технологий производства ПКМ. Алгоритм выбора технологии для группы критериев «время» представлен на рис. 4.
Алгоритм выбора технологий
изготовления изделий из ПКМ
На основе вышесказанного разработан общий алгоритм, который представлен на рис. 5. Как было сказано ранее, информация поступает в виде технического задания на изготовление изделия из полимерного композиционного материала. На стадии анализа технического задания формируется кортеж параметров изделия, необходимых для выбора технологии. Критерии разделены на три составляющие группы, а именно: «конструкция», «условия», «время». На каждом этапе поиска технологии формируется предварительный список решений, который является перезаписываемым и используется в дальней-
Процессы
Формируемые Э Используемая
данные I информация
>
Определение максимально
допустимого времени изготовления
ц
« > г
Поиск технологии
по критерию время цикла»
J
База данных о технологиях изготовления изделий из ПКМ
1
4
Рис. 4. Выбор технологии изготовления изделий из ПКМ в группе критериев «время»
ШШШМБОТКА
Формируемые данные
Процессы
Используемая информация
Рис. 5. Алгоритм выбора технологии изготовления изделий из ПКМ
шем для уточнения. После последовательного прохождения всех участков поиска проверяется наличие найденных технологий, в случае их отсутствия происходит возврат для корректировки технического задания.
Заключение
В результате были проанализированы технологии изготовления изделий из ПКМ со слож-
ной геометрией, определены критерии их выбора. Представленные данные систематизированы и отображены в табл. 1, 2, 4. На основе критериев разработан алгоритм выбора технологии изготовления изделия из ПКМ, представленный на рис. 5. Изложенная информация позволяет обеспечить рациональный выбор технологии под конкретные задачи как на этапе организации производства изделий из ПКМ, так и при технологической подготовке производства при наличии двух и более техно-
логий на предприятии. В дальнейшем информацию можно использовать для организации экспертной системы с последующим усовершенствованием в виде загружаемой 3Б-модели изделия и перерасчета времени изготовления, экономических затрат в соответствии с выбранной технологией. Для этого необходимо выявить экономические показатели, возникающие при оценке стоимости изготовления изделий из ПКМ по различным технологиям, разработать унифицированное представление технологий в виртуальном пространстве, организовать базу данных со свойствами материалов полимерной матрицы и армирующих компонентов с последующей связью с многоуровневой моделью материала для предварительной оценки механических характеристик.
«Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 17-01-00672».
Литература
1. Stabik J., Dybowska A., Chomiak M. Polymer composites filled with powders as polymer graded materials // Journ. of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2010. Vol. 43, N 1. P. 153-161.
2. 3D Printing of continuous fibre reinforced thermoplastic composites / P. Zhuo, S. Li, I. Ashcroft [et al.] // 21st International Conference on Composite Materials. Xi'an (China), 20-25 August 2017.
3. Малов А. Н. Справочник технолога-машиностроителя. Т. 1. М.: Машиностроение, 1973. С. 695.
4. Rotational 3D printing of damage-tolerant composites with programmable mechanics / Jordan R. Raney, Brett G. Compton [et all.] // PNAS Early Edition, 2018.
5. Ashby M., Johnson K. Materials and Design: The Art and Science of Material Selection in Product Design. UK: Butterworth-Heinemann, 2014. P. 416.
6. Mohan R. SRIM composites for automotive structural applications // Proceedings of the Third Annual Conference on Advanced Composites. Detroit, 15-17 Sept. 1987. P. 57-62.
4; АО «Издательство "ПОЛИТЕХНИКА"»
V * (ОЙ Бывшее Ленинградское отделение издательства «Машиностроение». Издательская деятельность с 1938 г.
Предлагает широкий спектр редакционно-издательских услуг по выпуску монографий, учебников и учебных пособий всех уровней профессионального образования, справочников, практических руководств для специалистов.
Мы осуществляем:
• редактирование;
• корректуру;
• верстку и художественное оформление;
• изготовление изданий любым тиражом;
• контроль полиграфических процессов.
Ваша книга будет оформлена в соответствии со всеми издательскими стандартами и требованиями, ей будут присвоены ISBN, УДК, ББК, авторский знак.
Мы гарантируем Вам высокое качество редакционно-издательской подготовки и полиграфического исполнения книги, а также строгое соблюдение Ваших авторских прав.
191023, Санкт-Петербург, Инженерная ул., д. 6. Тел.: (812) 312-53-90, 312-44-95. E-mail: 710-62-73@polytechnics.ru, gfm@polytechnics.spb.ru Сайт: www.polytechnics.ru
