CC BY
2
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 OF THE VARIABILITY OF THE DIAMETER OF A SPECIAL FILEMENT BAR R.S. Zagidullin, D.V. Zhukov, N.V. Rodionov, T.A. Mitroshkina,
The paper poses a problem that is characterized by a high level of variability in the diameter of a bar of special filaments, leading to a significant decrease in such key quality indicators of printed parts as strength and rigidity. The diameter of a rod of a special filament, a polymer composite material (nylon PA12 + fiberglass GF12), was measured, on the basis of which histograms and diagrams of the variability of the diameter of a filament rod were constructed. Based on the analysis of histograms and diagrams, a high level of variability in the diameter of a rod of a polymer composite material was established. Photo images from a digital industrial microscope of the geometry (roughness and cross section) of a polymer composite material and engineering ABS filament are demonstrated. It is assumed that the reason for the high level of variability in the diameter of a rod of a polymer composite material is the introduction of a glass fiber filler into the matrix. A photographic image from a digital industrial microscope of the printed first layer with a high level of variability in the diameter of a rod of a polymer composite material is shown, based on the analysis of which parallel and angular gaps between extruded (arranged) threads are revealed.
Key words: quality, FDM 3D printing, special filament, polymer composite material, variability, tensile strength.
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
УДК 621.6.04
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-234-239
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ РАЗРЕЖЕННЫХ ПОТОКОВ ЗЕРНИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОНЕНТОВ
Д.В. Стенько, А.Б. Капранова
В настоящей работе исследуется этап образования разреженных потоков смесительным узлом барабан-лопасти для выхода на рациональный режим работы аппарата при получении качественной дисперсной смеси первичного и вторичного полипропилена.
Ключевые слова: 3D-печать, смешение, коэффициент неоднородности, первичный и вторичный полипропилен, ротационный узел.
В условиях высокой конкуренции производителей полимерных изделий при производстве нового продукта на первый план выходит быстрота разработки прототипа. К наиболее длительным и энергозатратным этапам относится изготовление макетов или функциональных прототипов [1]. Наиболее подходящей для быстрого прототипирования является технология 3D-печати, в рамках которой широко распространен метод послойного наплавления полимерных сред. В данном случае материалом для 3D-печати выступает полимерная нить, которая изготавливается на экструзионном оборудовании. В качестве сырья выступают полимерные гранулы, смешиваемые с различными добавками или красителями в зависимости от заданного регламента.
В зависимости от назначения существует множество различных способов и оборудования для смешения твердых сыпучих материалов [2-5]. При борьбе с сегрегационным явлением интерес вызывают аппараты, в которых данный процесс проходит в рабочих объемах аппаратов с применением разбрасывания зернистых компонентов щеточными элементами и последующими ударными эффектами [6]. Процесс смешения в таких аппаратах может протекать поэтапно: формирование разреженных потоков на первом этапе и столкновение с отбойной поверхностью на втором. В условиях подбора рациональных пределов варьирования режимных и конструктивных параметров оборудования результатом применения данного алгоритма смешения является эффективная борьба с рядом нежелательных эффектов [7-9]:
234
сегрегацией, агломерацией или налипанием частиц на рабочие поверхности. В частности, при использовании указанного алгоритма смешения становится возможным получить высококачественную смесь с коэффициентом неоднородности V; менее 7% [9].
Целью настоящей работы является исследование механизма образования разреженных потоков на первом этапе смешения в аппарате с ротационными узлами барабан-лопасти. Для реализации поставленной цели предлагается первоначально экспериментально получить данные о распределении числа частиц отдельно каждого зернистого компонента по уровням (полкам) вертикальной ловушки. Для этого была изготовлена модельная установка, в виде ротационного узла барабан-лопасти, которая представлена на рис. 1,2. Принцип работы заключается в следующем: зернистый компонент загружается через воронку 3 в узел, который состоит из корпуса 1 и крышки 4. Барабан 6 в форме цилиндра, на котором в два ряда с угловым смещением 30° установлены прямоугольные лопасти, вращается за счет электродвигателя 2. Частицы подхватываются лопастями и вылетают из узла барабан-лопасти, образуя разреженный поток. Для увеличения факела вылетающих частиц в корпусе предусмотрен выступ 7, за счет которого лопасти деформируются в процессе взаимодействия с частицами, и выпрямляются после выхода из зазора.
Рис. 1. Схема ротационного узла барабан-лопасти: 1 - корпус; 2 - электродвигатель; 3 - воронка для загрузки; 4 - крышка; 5 - лопасть; 6 - барабан; 7 - рельефный выступ
Рис. 2. Общий вид узла барабан-лопасти
Опираясь на результаты исследования [10], прямоугольные лопасти с габаритными размерами (ширинахдлинахвысота) 50,0Х75,0Х0,5 мм были изготовлены из листового PETG пластика. Перечислим значения других основных конструктивных параметров установки. Внешний диаметр барабана указанного смесительного узла равен 5,0Х10-2 м; высота зазора между поверхностями барабана и рельефного выступа 4,5Х10-2 м; высота ступени на выходе их данного зазора соответствует 9,9Х10-3 м.
Для определения угла разбрасывания частиц, вылетающих из ротационного узла (рис. 1), была изготовлена вертикальная ловушка в виде короба с полками толщиной 1ДХ10-2 м, установленными с равными интервалами 3,9Х10-2 м по высоте данного элемента установки (рис. 3). Для предотвращения упругого удара частиц о поверхности ловушки полки 3 были изготовлены из листового вспененного полиуретана.
Рис. 3. Схема экспериментальной установки: 1 - ротационный узел барабан-лопасти;
2 - корпус ловушки частиц; 3 - полка
В качестве смешиваемых зернистых компонентов предполагается использовать первичный и вторичный полипропилен ГОСТ 26996-86. Выбор данных материалов обусловлен широким распространением полипропилена при изготовлении изделий для различных отраслей промышленности, а также высокой потребностью в применении вторично переработанных материалов. Форма частицы первичного/вторичного полипропилена напоминают форму двояковыпуклой линзы. Частицы вторичного полипропилена по габаритным размерам превышают размер частиц первичного полипропилена (рис. 4).
Рис. 4. Снимок полипропилена: а - первичный, б - вторичный
Основные характеристики смешиваемых материалов представлены в таблице, где для расчета среднего диаметра частиц использована методика учета коэффициента формы зернистой частицы, отличной от сферической [11].
Таблица 1
Основные характеристики первичного и вторичного полипропилена_
Тип материала Плотность, Х10-2 кг-м3 Средний диаметр частицы, Х10-3 м Площадь поверхности эллиптической частицы, Х10-5 м2
Первичный полипропилен 9,10 4.44 4.404
Вторичный полипропилен 9,30 5.49 6.590
Согласно результатам исследований [12] достаточно эффективным, с позиций механизма образования разреженного потока, является режим работы ротационного узла с частотой вращения барабана п = 300.. .500 мин-1. В данный интервал входят три режима работы узла барабан-лопасти, выбранных для экспериментальных исследований: п = (300; 400; 500) мин-1. Полученные гистограммы распределения числа частиц первичного и вторичного полипропилена по уровням q (полкам 3) вертикальной ловушки (рис. 3), а также соответствующие им регрессионные кривые с достоверностью аппроксимации R2 показаны на рис. 5, а и 5, б. Здесь N - общее число частиц компонента, N - число частиц компонента на уровне q (полке 3) вертикальной ловушки (рис. 3), q =],..., ц при ц, =12. Уравнения регрессии для зависимости F(q) = 100 N / N содержатся в табл. 2.
В результате проведенных экспериментальных исследований по образованию разреженных потоков частиц первичного и вторичного полипропилена были установлены экстремальные значения номеров ячеек при выбранном режиме работы ротационного узла. Опытные данные имеют удовлетворительное согласование с полиномиальными регрессионными кривыми, установлено, что наибольшее число частиц оказалось на уровнях д = 2, 3, 4, как для первичного (Р(д) = 8.23%, рис. 5, а), так и для вторичного (Р(,) = 7.18%, рис. 5, б) полипропилена. При д = 4 наблюдается максимум зависимости F(q) для обоих видов полипропилена, в частности, для режима работы узла барабан-лопасти при 300 мин-1 это значение для первичного полимерного продукта превышает максимальное значение F(q) для вторичного в 1,25 раза. Полученные опытные данные подтверждают гипотезу о возможности эффективного смеше-
ния сыпучих сред в разреженных потоках в условиях подбора рациональных пределов варьирования режимных и конструктивных параметров узла барабан-лопасти согласно предложенному критерию [13, 14].
25,0 20,0 15,0 г 10,0 5,0 11 0,0
Ni
300 мин "1 400 МИН 500 МИН"1
• •••• 300 МИН 1 400 МИН
• •••• 500 МИН"1
■ I ill ill lll itl
8 9 10 11 12
15,0
10,0
5,0
0,0
L-*
V
ь
I ■
I1
XT
т
300 МИН 1 400 мин 500 МИН 1 300 МИН 1 400 мин "1 500 МИН 1
5 6 7
q
б
fi-fea
9 10 11 12
а
Рис 5. Гистограмма распределения частиц полипропилена по уровням ловушки и регрессионные кривые Ж(ц) = N /N1 а - первичный; б - вторичный
Таблица 2
Уравнения регрессии для зависимости F(q) = 100 Nq /N__
Тип материала n, мин-1 F(q) = 100 Nq / N, % R2
Первичный полипропилен 300 102-05q6 - 0,001q5 + 0,0162q4 - 0,121q3 + 0,4271q2 - 0,6093q + 0,3637 0,9892
400 102-05q6 - 0,001q5 + 0,0162q4 - 0,1234q3 + 0,4448q2 - 0,647q + 0,3626 0,9845
500 102-05q6 - 0,0009q5 + 0,0149q4 - 0,1144q3 + 0,4152q2 - 0,5967q + +0,318 0,9846
Вторичный полипропилен 300 10-05q6 - 0,0006q5 + 0,0103q4 - 0,0803q3 + 0,295q2 - 0,4388q + 0,3035 0,9962
400 10-05q6 - 0,0004q5 + 0,0075q4 -0,061q3 + 0,236q2 - 0,3682q + 0,2623 0,9938
500 106-06q6 - 0,0003q5 + 0,0054q4 - 0,0468q3 + 0,1935q2 - 0,3201q + +0,2342 0,9730
Таким образом, выполненные экспериментальные исследования образования разреженных потоков зернистых полимерных компонентов (первичного и вторичного полипропилена ГОСТ 26996-86) показали возможность их совмещения при одновременной подаче из разных ротационных узлов. Данный факт позволяет предположить, что выбор информационных параметров процесса смешения в аппарате с узлами барабан-лопасти, базирующийся на системном анализе результатов теоретико-экспериментальных результатов, может обеспечить необходимые условия для получения качественной смеси с коэффициентом неоднородности Vc менее 7%.
Список литературы
1. Hopewell J., Drovak R., Kosior E. Plastics recycling: challenges and opportuni-ties // Philos. Trans. R. Soc. B. 2009. V. 364(1526). P. 2115-2126. https://doi.org/10.1098/rstb.2008.0311.
2. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение. 1973.
216 с.
3. Селиванов Ю.Т., Першин В.Ф. Расчет и проектирование циркуляционных смесителей сыпучих материалов без внутренних перемешивающих устройств. М.: Машиностроение-1, 2004. 120 с.
4. Ким В.С., Скачков В.В. Диспергирование и смешение в процессах производства и переработки пластмасс. М.: Химия. 1988. 240 с.
5. Мизонов В.Е., Berthiaux Н., Gatumel С., Шелатонова К.А. Оптимальное управление смешиванием сегрегирующих дисперсных материалов // Вестник ИГЭУ. №2, 2014. С.50-54.
6. Верлока И.И., Капранова А.Б., Лебедев А.Е. Современные гравитационные устройства непрерывного действия для смешивания сыпучих компонентов // Инженерный вестник Дона. 2014. № 4
7. Tang P., Puri, V. M. Methods for minimizing segregation: a review // Particulate Science and Technology. 2004. V. 22(4). P. 321-337. DOI: 10.1080/02726350490501420.
8. Kapranova A.B. About Preparation of the Analytical Platform for Creation of a Cyber-Physical System of Industrial Mixture of Loose Components / A.B. Kapranova, I.I. Verloka, D.D. Bahaeva // In monograph: Cyber-Physical Systems: Advances in Design & Modelling. Studies in Systems, Decision and Control / eds. A. Kravets, A. Bolshakov, M. Shcherbakov. V. 259. Springer, Cham, 2020. P. 81-91. DOI: 10.1007/978-3-030-32579-4_7.
9. To the calculation of the average value of the volume fraction of the key bulk component at the intermediate stage of mixing with an inclined bump / A.B. Kapranova, I. I. Verloka, D. D. Bahaeva, M. Yu. Tar-shis, S. N. Cherpitsky // Frontiers in Energy Research: Process and Energy Systems. 2020. Vol. 8, article 135. P. 1-11. DOI: 10.3389/fenrg.2020.00135.
10. Ватагин А.А., Лебедев А.Е., Лебедев Д.В. Разработка нового аппарата для смешения сыпучих материалов // Машины, агрегаты и процессы. Проектирование, создание и модернизация: Материалы международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург: НИЦ МС, 2021. №4. С. 25-27.
11. Стохастический анализ ротационного смешения полимерных компонентов в рамках рецик-линга и развития технологий 3D-печати / Д.В. Стенько, А.Б. Капранова, Д.Д. Бахаева, Д.В. Федорова, А.Е. Лебедев // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2022. 57 (11). C. 16-21.
12. Экспериментальное исследование качества продукции в гравитационном аппарате для смешивания сыпучих материалов / И.И. Верлока, А.Б. Капранова, Д.В. Стенько, Д.В. Лебедев, А.А. Ватагин // Умные композиты в строительстве. 2021. Т. 2. №. 4. С. 46-61. DOI: 10.52957/27821919 _2021_4_46.
13. Капранова А.Б., Верлока И.И. Огохастическое описание процесса формирования потоков сыпучих компонентов в аппаратах со щеточными элементами // Теор. основы хим. технологии. 2018. Т. 52, № 6. C. 707-721.
14. Капранова А.Б., Бакин М.Н., Верлока И.И. Моделирование критерия качества смеси в объеме барабанно-ленточного устройства // Хим. и нефтегаз. машиностроение. 2018. Т. 54. № 5. С. 3-9.
Стенько Дмитрий Владимирович, аспирант, dvs3d@yandex.ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Капранова Анна Борисовна, д-р физ.-мат. наук, профессор, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет
EXPERIMENTAL STUDY OF THE FORMATION OF RAREFIED FLOWS OF GRANULAR POLYMER COMPONENTS
D.V. Stenko, A.B. Kapranova
In this paper, we study the stage offormation of rarefied flows by the mixing unit of the drum-blade to enter the rational mode of operation of the apparatus when obtaining a high-quality dispersed mixture ofprimary and secondary polypropylene.
Key words: 3D printing, mixing, heterogeneity coefficient, primary and secondary polypropylene, rotary assembly.
Stenko Dmitry Vladimirovich, postgraduate, dvs3d@yandex.ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Kapranova Anna Borisovna, doctor of physical and mathematical sciences, professor, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University
