CC BY
101
УДК 67.02
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛНОВОДОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ: ВОЗМОЖНОСТИ 3D-ПРИНТЕРА
Л. Д. Евстигнеева Научный руководитель - С. В. Ченцов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: ld_evstigneeva@mail.ru
Рассмотрен процесс автоматизации изготовления волновода посредством технологии 3D-печати. Произведен анализ возможности использования данной технологии применительно к волноводам миллиметрового диапазона.
Ключевые слова: волновод, 3D-принтер, 3D-печать, углеродное волокно, технология.
THE AUTOMATION PROCESS OF MANUFACTURING WAVEGUIDES FROM COMPOSITE MATERIALS: THE POSSIBILITIES OF 3D-PRINTER
L. D. Evstigneeva Scientific Supervisor - S. V. Chencov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: ld_evstigneeva@mail.ru
The article discusses the automation process of manufacturing the waveguide by means of technology 3D-printing. The analysis of possibilities of using this technology as applied to waveguides of millimeter range.
Keywords: waveguide, 3D-printer, 3D-print, carbon fiber, technology.
В настоящее время происходит быстрое развитие производства, применение автоматических машин и аппаратов, увеличение числа производственных процессов, в основе которых лежит принцип безлюдной технологии.
Автоматизированные процессы, регулирование и (частично) контроль над ними, протекают автономно, в соответствии с заданной программой, поэтому, не возникает необходимости непосредственного участия человека в их нормальном функционировании [1].
В данной работе мы рассмотрим новую автоматизированную технологию создания волноводов из композиционных материалов, которые дают на выходе изделия с заранее заданными свойствами, имеющие малый вес и высокую прочность, что является немаловажным фактором для аэрокосмической промышленности. Данная автоматизация произведена с помощью новейших технологий 3D-печати, которые входят в нашу жизнь, открывая новые возможности в самых разных областях деятельности.
Рассматриваемым объектом автоматизации является волновод - канал, способный поддерживать распространяющиеся вдоль него волны, поля которых сосредоточены внутри канала или в примыкающей к нему области. В канале волновода энергия передается электромагнитным полем, находящимся между проводниками, а не током, текущим по самим проводникам.
Нашей целью является рассмотрение возможности 3D-печати волновода миллиметрового диапазона (КВЧ-диапазона). Данные волноводы имеют меньшие габаритомассовые характеристики и поперечные размеры каналов, по сравнению с волноводами СВЧ-диапазона. К ним предъявляются более высокие требования по обеспечению точности канала 0,01 мм, снижению шероховатости рабочей поверхности Ra 0,16-0,2 мкм, повышению характеристик токопроводящего скин-слоя, которые
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 2
являются частотнозависимыми, а также к температурной стабильности размеров (температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР (1-2)-10_6 °С-1 должен быть минимальным) [2].
Практически все 3Б-принтеры используют в качестве материала для печати ABS-пластик. Такой пластик относится к ударопрочной группе и если сравнить ABS с обыкновенным полистиролом, то он в значительной степени превосходит другие аналоги в плане механической прочности и жёсткости. Среди других достоинств можно отметить тот факт, что данный вид пластика выдерживает температурную нагрузку в 100 °С, а некторые ABS-пластики - до 120 °С. Этот расходный материал также можно использовать для нанесения гальванического покрытия, в сфере вакуумной металлизации и даже для спайки контактов. Материал обладает высокой размерной стабильностью [3].
Сейчас происходит развитие расширения номенклатуры применяемых материалов для 3Б-печати, в частности стали появляться 3Б-принтеры, использующие в качестве материала в дополнение к пластику армирующие наполнители - углеродные волокна (нити). Такие материалы называются углепластиками, они отличаются от традиционных материалов сочетанием таких свойств, как высокие удельные прочность и жесткость, низкие коэффициенты линейного термического расширения и трения, высокая износостойкость и устойчивость к воздействию агрессивных сред, термическому и радиационному ударам, повышенная теплопроводность и электрофизические свойства, изменяющиеся в широких пределах, высокая усталостная прочность при статических и динамических нагрузках. По удельным показателям прочности и жесткости углепластики превосходят практически все наиболее широко используемые конструкционные полимерные и металлические материалы. Рабочие температуры углепластиков без доступа окисилителей - выше 250 °С; плотность - 14501600 кг/м3; прочность при растяжении 780-1800 МПа. Указанные свойства углепластиков определили их преимущественное использование в оборонных отраслях промышленности и прежде всего в авиационной и ракетостроительной технике [4].
Рассмотрим некоторые технические характеристики 3Б-принтера, способного печатать композиционными материалами, в частности углеродным волокном:
Технология печати: фабрикация накаливанием и плавлением (FFF), разрешение печати 100 мкм / изготовление накаливанием композитных материалов (CFF), разрешение печати 200 мкм.
Экструдеры: Двойная быстрая замена.
Программное обеспечение: Облачный сервис.
Поддерживаемые файлы: STL, OBJ [5].
Чтобы напечатать изделие на 3Б-принтере, сначала необходимо разработать 3Б-модель в любой программе по 3Б-моделированию, которая поддерживает соответствующий формат. Затем данную 3Б-модель загружают в 3Б-принтер. Далее проводятся все необходимые подготовительные манипуляции с устройством в соответствии с эксплуатационной документацией на него и начинается процесс печати, условная схема которого приведена на рисунке (для наглядности на рисунке не показан поддерживающий материал).
Условная схема печати волновода с внутренним сечением 2,6^5,2 мм на 3Б-принтере с использованием углеродного волокна
Данный процесс описывает создание самой волноводной трубки с фланцами, следующей технологической операцией, после контроля геометрических параметров полученного объекта, должна быть работа с внутренней рабочей поверхностью волновода (нанесение токопроводящих покрытий), в соответствии с технической документацией на него. Преимущества использования современных 3Б-принтеров очевидны:
- снижение себестоимости изготовления продукции и сокращение сроков выполнения, включая экономию человеческих ресурсов;
- моделирование элементов любой сложности (в нашем случае потребовалось создать всего одну деталь (модель), которая включает в себя саму прямоугольную трубку и два фланца. При использовании обычной технологии изготовления у нас бы не получилось изготовить данное изделие за одну технологическую операцию, нам потребовались бы дополнительные технологические операции по присоединению фланцев к трубке);
- высокая точность изготовления и возможность использования разных материалов.
Данная технология создания изделий (деталей) является очень перспективной для аэрокосмической промышленности, уже на сегодняшний день по технологии 3Б-печати изготовляются: прототипы; детали авиационных двигателей; топливные форсунки; сложные кронштейны; скобы; сложные инструменты; функциональные части космических кораблей.
Подводя итог, можно сделать вывод, что данная технология изготовления волноводов является актуальной на сегодняшний день и быстроразвивающейся, а значит, точность и качество исполнения с каждым годом будет стремительно повышаться.
Библиографические ссылки
1. Соснин О. М. Основы автоматизации технологических процессов и производств : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М. : Академия, 2007. 240 с.
2. Технологическое обеспечение качества при изготовлении труб волноводов КВЧ-диапазона / А. И. Оборина, И. В. Трифанов, Б. Н. Исмаилов, И. В. Стерехов // Вестник СибГАУ. 2012.
3. Участник ассоциации представителей отрасли аддитивных технологий [Электронный ресурс]. URL:. http://3dtoday.ru/industry/obzor-raskhodnykh-materialov-dlya-3d-printerov.html (дата обращения: 02.04.2016).
4. Журнал «Авиационная промышленность». 1997. № 3-4 [Электронный ресурс]. URL: www.viam.ru/public (дата обращения: 05.11.2015).
5. Портал Printrev.ru [Электронный ресурс]. URL: http://printrev.ru/news/2014/02/17/3d-printer-markforged-mark-one.html (дата обращения: 04.04.2016).
© Евстигнеева Л. Д., 2016
