CC BY
12
The article presents studies on the influence of defects of various nature on the mechanical and operational properties of rail steel. The results of the study and analysis of the state of rail steel at various stages of its operation, as well as the reasons for the removal of rails from the rolling stock, are considered. The increased interest and increase in information in this area is due both to the practical significance associated with the increase in the requirements for the reliability of rails in conditions of high traffic intensity, and the increase in loads on the axles of the rolling stock, increasing speeds and masses of trains, in difficult conditions of the superstructure of the track in various climatic conditions. conditions, and the desire for a deeper understanding of the fundamental knowledge of physical metallurgy.
Key words: rail, steel, defects, work hardening, bandage, impact strength, wear, deformation, fatigue
fracture.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, gadalov-vn@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, associate professor, kutepovsn@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Gubanov Oleg Mikhailovich, candidate of technical science, associate professor, Project Manager for the development of new types of products of NLMK Group gubanov_oleg81@mail.ru, Russia, Lipetsk, Novo-lipetsk metallurgical plant Public joint stock company,
Filonovich Alexander Vladimirovich, doctor of technical Sciences, professor, filon8@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kalinin Anton Alekseevich, deputy director for commercial affairs of TulSU Publishing House, antony-ak@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621:658.5:005.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-265-272
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА FDM 3D-ПЕЧАТИ ЗА СЧЕТ НИВЕЛИРОВАНИЯ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ ДИАМЕТРА ПРУТКА
ФИЛАМЕНТА
Р.С. Загидуллин, В.Д. Жуков, Н.В. Родионов
В работе проведен экспериментальный подбор технологических режимов FDM печати для нивелирования («компенсации») высокого уровня вариабельности диаметра прутка специального фила-мента - полимерного композиционного материала (нейлон PA12 + стекловолокно GF12), приводящая к значительному понижению таких ключевых показателей качества напечатанных деталей узлов изделий авиационно-космической техники, как прочность и жесткость. Продемонстрированы фотоизображения с цифрового промышленного микроскопа напечатанных первых слоев. Выявлены параллельные и угловые зазоры между экструдированными (расположенными) нитями. На основе анализа фотоизображений построены диаграммы зависимости размеров параллельных и угловых зазоров напечатанных первых слоев от значений коэффициентов потока и выравнивания потока FDM печати.
Ключевые слова: качество, FDM технология, специальный филамент, полимерный композитный материал, вариабельность, технологический режим.
Аддитивные технологии представляют уникальные возможности для проектирования и изготовления перспективных изделий авиакосмической техники. Такие известные компании-производители, как Boeing, Airbus, SpaceX, Blue Origin, Rocket Lab и другие, с каждым годом в конструкциях своих изделий наращивают количество деталей, изготовленных с использованием 3D-печати [1, 2].
Вместе с тем, важно заметить, что технологи и операторы аддитивного оборудования еще на этапе внедрения аддитивных технологий, в частности, FDM технологии в производство сталкиваются с различного рода дефектами или неудовлетворительными геометрическими параметрами напечатанных деталей и узлов. Дефекты напечатанных деталей и узлов могут быть вызваны неудовлетворительными выбранными технологического параметрами процесса FDM 3D-печати, несовершенствами конструкции FDM 3D-принтера и подготовкой 3D-модели к печати, различного рода недостатками поставляемых фи-ламентов [3].
Одной из причин различного рода дефектов напечатанных деталей и узлов является вариабельность диаметра прутка поставляемых филаментов.
Для исследования вариабельности был проведен замер электронным цифровым штангенциркулем (с точностью до 0,02 мм) диаметра прутка специального филамента - полимерного композиционного материала (нейлон PA12 + стекловолокно GF12) отечественной компании-производителя филаментов. Замер проведен следующим образом: сначала проведено 100 замеров диаметра прутка специального филамента с интервалом 10-15 мм. Далее после отмотки 3000 мм прутка филамента проведено повторные 100 замеров с аналогичным интервалом.
Выявлен высокий уровень вариабельности диаметра прутка филамента: минимальный диаметр прутка филамента Dm„ равен 1,60 мм, а максимальный Dmax - 1,77 мм. Номинальный диаметр DN прутка филамента, заявленный производителем, равен 1,75 мм. Согласно ГОСТ Р 59100-2020 предельное отклонение по диаметру должно составлять +0,03 мм [4].
Как показывает инженерно-практический опыт, высокий уровень вариабельности диаметра прутка филамента возможно приводит к недоэкструзии (появлению зазоров), которая в свою очередь приводит к снижению прочности напечатанных деталей и узлов.
Следовательно, целью настоящей работы является повышение качества FDM 3D-печати за счет нивелирования («компенсирования») вариабельности диаметра прутка филамента.
В соответствии с вышеуказанной целью поставлены следующие задачи:
1) экспериментальным путем провести поиск технологических параметров FDM 3D-печати для нивелирования вариабельности диаметра прутка филамента;
2) провести анализ фотоизображений напечатанного первого слоя с цифрового промышленного микроскопа;
3) на основе анализа фотоизображений построить диаграммы зависимости размеров зазоров от технологических параметров FDM 3D-печати.
Новизна работы выражается в разработке на основе экспериментальных исследований технологических режимов FDM 3D-печати, позволяющих нивелировать («компенсировать») вариабельность диаметра прутка филамента.
Теоретическая и практическая значимость настоящего исследования заключается в разработке рекомендаций для технологов и операторов аддитивного оборудования по повышению качества FDM 3D-печати.
В качестве FDM 3D-принтера использован 3D-принтер марки Flying Bear Tornado 2 Pro китайского производителя Flying Bear.
В качестве программы-слайсера выбрана программа UltiMaker CURA 5.2.1. Указанная программа является одной из наиболее популярных и распространенных программ-слайсеров среди операторов и технологов FDM аддитивного оборудования во всем мире.
Для FDM печати образцов для исследования выбраны технологические режимы печати согласно стандартным настройкам программы CURA - профиль «Draft» (табл. 1).
Таблица 1
Выбранные технологические режимы FDM^ печати_
№ п/п Технологические режимы FDM печати Значение
1 Высота слоя, мм 0,2
2 Ширина линии (нити), мм 0,5
3 Ширина линии первого слоя, % 100
4 Температура сопла, °С 260
5 Температура стола, °С; 105
6 Поток, %; 100
7 Поток для первого слоя, % 100
8 Скорость печати, мм/сек 50
9 Коэффициент выравнивания потока, % 100
10 Типа прилипания к столу кайма
11 Ширина каймы, мм; 8
12 Количество линий каймы 20
13 Диаметр совместимого материала (экструдер), мм; 1,75
14 Диаметр прутка филамента: 1,75 мм 1,75
15 Ориентация образца на рабочем столе XY
Температура сопла экструдера и рабочего стола FDM принтера выбраны на основе инженерно-практического опыта как среднее значение интервала температур, рекомендованного компанией-производителем полимерного композитного материала: температура сопла экструдера: 250-270 °С, температура рабочего стола 100-110 °С.
На первом этапе исследования предложены и апробированы следующие технологические параметры FDM 3D-печати:
1) Изменение в программе-слайсере параметров: «Диаметр совместимого материала» во вкладке «Параметры принтера» (рис. 1) и «Диаметр» во вкладке «Материал» (рис. 2).
2) Изменение в программе-слайсере параметра «Коэффициент выравнивания потока» во вкладке «Параметры печати» (рис. 3). Коэффициент выравнивания потока - поправочный коэффициент ширины экструзии от зависимости от скорости печати. Значения выше 100 % указанного параметра может помочь компенсировать более высокое давление необходимое для более широких линий (нитей).
Принтер
Параметры сопла
Диаметр сопла
I Диаметр совместимого материала
Смещение сопла по оси X Смещение сопла по оси У Номер охлаждающего вентилятора
Стартовый й-код экструдера
Завершающий G-код экструдера
Рис. 1. Выбор параметра «Диаметр совместимого материала» во вкладке «Параметры принтера»
Материалы
Mdicprijiiu, сомой им ые с OKiHutuM принтером; Raflmlr F FF printer
I livrantes Generic
# G*n*r« ABS Generic ASA
# Generic Bvon
# Generic cpé
# Generic HIPS
# Generic Nylon
# Generic PC 9 Generic PETG I Generic pla
# G*nerK PVA
# Generic nti 9...
СОЗДЭТ h НОНЫ Й И МПОр I
Friction Rec
отображаемое hi Брэнд
гил материала
цвет
CuwtiiM
пломоаь
[иаметр
Стоимость материала Eier мдтрриАпд
Friction Ree
свое
Friction
ф Hyton+GT 1J»
g/cm5
Рис. 2. Выбор параметра «Диаметр» во вкладке «Материалы»
Параметры печати Профиль Draft -0.2mr
©
Р Параметры поиска
Скорость первогослоя
Скорость перемещений на первом слое
Скорость юбки/каймы 20.0 mm/s
Количество медленных слоев <? 2
| Коэффициент выравнивания потока Ь 115.0
Разрешить управление ускорением <?
Включить управление рывком □
Рис. 3. Выбор параметра «Коэффициент выравнивания потока» во вкладке «Параметры печати»
3) Изменение в программе-слайсере параметра «Поток» во вкладке «Параметры печати» (рис. 4). Поток - технологический параметр FDM печати, который отвечает за объем выдавленного (экструди-рованного) филамента, то есть объем выдавленного филамента умножается на указанный коэффициент.
Результаты апробации (фотоизображения напечатанного первого слоя) с предложенными технологическими параметрами FDM печати представлены в табл. 2.
Для анализа фотоизображений напечатанного первого слоя введены следующие геометрические параметры, характеризующие качество FDM 3D-печати: максимальный зазор между внутренними параллельно экстрадированными (расположенными) нитями Zpmax (maximum parallel), мм; максимальный угловой зазор между стенкой и внутренними параллельно нитями Zcmax (maximum corner), мм. Для измененных технологических параметров FDM печати введены следующие обозначения: для коэффициента выравнивания потока - Kfer (flow equalization ratio), %; для коэффициента потока -Kf, % (flow coefficient).
Параметры печати Профиль Draft -0.2mn
О
0
р
'араметры поиска
Поток
J) 115.0
Поток для стенки
Поток для внешнем стенки Поток для внутренних стенок Поток для верхних/нижних линий Поток для заполнения Поток для юбки/каймы Поток черновой башни Поток для первого слоя
115.0
Обтекание внутренней стенки начального слоя 115.0
Рис. 4. Выбор параметра «Поток» во вкладке «Параметры печати»
Таблица 2
Результаты апробации с предложенными технологическими параметрами^ FDM печати
№ п/п
Вариации измененных технологических параметров FDM печати
Фотоизображение первого слоя с цифрового микроскопа
Z,
pmax?
мм
Z,
cmax?
мм
1
2
3
Диаметр совместимого материала (экструдер): 1,7
мм;
Диаметр (прутка): 1,7 мм
kfer = 115%
Kfer = 120%
Kfer = 125%
0,21
0,8
0,19
0,84
0,21
1,23
0,23
0,69
4
5
1
2
3
4
Продолжение табл. 2
Необходимо отметить, что значения технологических параметров FDM печати, за исключением колонки №2 в табл. 2, соответствовали значениям параметров в табл. 1 и оставались неизменными для всех 10 образцов печати.
На основе полученных результатов обработки фотоизображений образцов печати (табл. 2) построены диаграммы зависимостей:
1) максимальных зазора между внутренними параллельно экструдированными (расположенными) нитями Zpmax и углового зазора между стенкой и внутренними параллельно нитями Zcmax от коэффициента выравнивания потока KFER (рис. 5);
2) максимальных зазора между внутренними параллельно экструдированными (расположенными) нитями 2ртах и углового зазора между стенкой и внутренними параллельно нитями 2стах от коэффициента потока Кр (рис. 6);
Рис. 5. Диаграмма зависимости зазоров Zpmax и Zcmax от коэффициента выравнивания потока ^er
Рис. 6. Диаграмма зависимости зазоров Zpmax и Zcmax от коэффициента потока Kf
Как видно из диаграмм выше, наиболее эффективным способом нивелирования вариабельности диаметра прутка филамента является изменение в программе-слайсере параметра «Поток» во вкладке «Параметры печати». С увеличением коэффициента потока К значения зазоров Zpmax и Zcmax уменьшаются, вплоть до нулевого значения на 120-125% коэффициента потока К.
Таким образом, в работе представлены результаты экспериментальных исследований по поиску оптимальных технологических параметров FDM печати для нивелирования («компенсации») вариабельности диаметра прутка филамента.
Дальнейшие исследования направлены на экспериментальное исследование и выявление зависимостей значения прочности при растяжении, геометрических параметров и массы напечатанных образцов от предложенных технологических режимов [5-10].
Список литературы
1. Загидуллин Р.С., Митрошкина Т.А., Садыков О.Ф., Высоцкая М.В., Натурный И.О., Горшков А.В. Разработка модели обеспечения качества при проектировании, изготовлении, испытании изделий авиационно-космической техники // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. № 12. С. 27-33.
2. Dmitriev A.Y., Zagidullin R.S., Mitroshkina T.A. Special aspects of quality assurance in the design, manufacture, testing of aerospace engineering products // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 714 (2020) 012006. DOI:10.1088/1757-899X/714/1/012006.
3. Zagidullin R.S., Zezin N.I., Rodionov N.V. Improving the quality of FDM 3D printing of UAV and aircraft parts and assemblies by parametric software changes // IOP Conference series: materials science and engineering. Vol. 1027. 2021. DOI: 10.1088/1757-899X/1027/1/012031.
4. ГОСТ Р 59100-2020 Пластмассы. Филаменты для аддитивных технологий. Общие технические требования. М.: Стандартинформ. 2020. 11 с.
5. Кузнецов А.Е., Соколова В.М. Основные факторы, влияющие на прочность изделий при печати на 3d-принтере // Химия и химическая технология: достижения и перспективы: сборник материалов v всероссийской конференции. Кемерово, 2020. С. 118.1-118.5.
6. Мышечкин А.А., Шумило Е.А. Исследование влияния режимов FDM-технологии на свойства изделий // Российская научно-техническая конференция с международным участием. Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике [Электронный ресурс]: Сборник докладов конференции «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике» Физико-технологического института РТУ МИРЭА. М.: РТУ МИРЭА, 2019. Т. 2. С. 276-280.
7. Teng-Chun Y., Chin-Hao Y. Morphology and mechanical properties of 3D printed wood fi-ber/polylactic acid composite parts using Fused Deposition Modeling (FDM): the effects of printing speed // Polymers. 2020. Vol. 12. Issue 1334. D0I:10.3390/polym12061334.
8. Slonov A.L., Khashirov A.A., Zhansitov A.A., Dolbin I.V. Mechanical properties of samples of polyphenylene sulfone obtained by the 3D-printing method // Materials Science Forum. 2018. Vol. 935. PP. 2126.
9. Peng W., Bin Z., Shouling D., Lei L., Chuanzhen H. Effects of FDM-3D printing parameters on mechanical properties and microstructure of CF/PEEK and GF/PEEK // Chinese Journal of Aeronautics. 2021. Vol. 34. Issue 9. PP. 236-246.
10. Syed F.A., Fasih M.M., Emin F.K., Burak B. Optimization of Additive Manufacturing for Layer Sticking and Dimensional Accuracy // Additive Manufacturing Technologies From an Optimization Perspective. 2019. PP 185-198. DOI: 10.4018/978-1-5225-9167-2.ch009.
Загидуллин Радмир Салимьянович, аспирант, ведущий инженер-конструктор, Zagidullin_Radmir@mail.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, АО «Ракетно-космический центр «Прогресс»,
Жуков Вячеслав Дмитриевич, студент, slavanbug@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
Родионов Никита Вадимович, аспирант, инженер-экономист, nikitarodionov.info@gmail. com, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, АО «Ракетно-космический центр «Прогресс»
EXPERIMENTAL STUDY AND A METHOD FOR INCREASING THE QUALITY OF FDM 3D PRINTING BY LEVELING THE VARIABILITY OF THE DIAMETER OF A FILEMENT BAR
R.S. Zagidullin, D.V. Zhukov, N.V. Rodionov
An experimental selection of technological modes of FDM printing for leveling ("compensation") of a high level of variability in the diameter of a rod of a special filament - a polymer composite material (nylon PA12 + glass fiber GF12), leading to a significant decrease in such key quality indicators of printed parts of aerospace product assemblies techniques such as strength and rigidity. Photo images from a digital industrial microscope of the printed first layers are shown. Parallel and angular gaps between extruded (arranged) threads are revealed. Based on the analysis of photographic images, diagrams of the dependence of the dimensions ofparallel and angular gaps of the printed first layers on the values of the flux coefficients and alignment of the FDM printing flux were plotted.
Key words: quality, FDM technology, special filament, polymer composite material, variability, technological regime.
Zagidullin Radmir Salimyanovich, postgraduate, principal design engineer, Zagidullin_Radmir@mail.ru, Russia, Samara, Samara National Research University, Joint Stock Company Space Rocket Centre Progress,
Zhukov Vyacheslav Dmitrievich, student, slavanbug@yandex.ru, Russia, Samara, Samara National Research University,
Rodionov Nikita Vadimovich, postgraduate, engineer-economist, nikitarodionov. info@gmail. com, Russia, Samara, Samara National Research University, Joint Stock Company Space Rocket Centre Progress
