Научная статья на тему 'ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ ДИАМЕТРА ПРУТКА СПЕЦИАЛЬНОГО ФИЛАМЕНТА'

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ ДИАМЕТРА ПРУТКА СПЕЦИАЛЬНОГО ФИЛАМЕНТА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
48
5
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КАЧЕСТВО / FDM 3D-ПЕЧАТЬ / СПЕЦИАЛЬНЫЙ ФИЛАМЕНТ / ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ / ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ / ПРОЧНОСТЬ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Загидуллин Радмир Салимьянович, Жуков Вячеслав Дмитриевич, Родионов Никита Вадимович

В работе поставлена проблема, которая характеризуется высоким уровнем вариабельности диаметра прутка специальных филаментов, приводящая к значительному понижению таких ключевых показателей качества напечатанных деталей, как прочность и жесткость. Проведены замеры диаметра прутка специального филамента - полимерного композиционного материала (нейлон PA12 + стекловолокно GF12), на основе которых построены гистограммы и диаграммы вариабельности диаметра прутка филамента. На основе анализа гистограмм и диаграмм установлен высокий уровень вариабельности диаметра прутка полимерного композиционного материала. Продемонстрированы фотоизображения с цифрового промышленного микроскопа геометрии (шероховатости и поперечного сечения) полимерного композиционного материала и инженерного филамента ABS. Предположено, что причиной высокого уровня вариабельности диаметра прутка полимерного композиционного материала является введение в матрицу наполнителя из стекловолокна. Продемонстрировано фотоизображение с цифрового промышленного микроскопа напечатанного первого слоя с высоким уровнем вариабельности диаметра прутка полимерного композиционного материала, на основе анализа которого выявлены параллельные и угловые зазоры между экструдированными (расположенными) нитями.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Загидуллин Радмир Салимьянович, Жуков Вячеслав Дмитриевич, Родионов Никита Вадимович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EXPERIMENTAL STUDY OF THE VARIABILITY OF THE DIAMETER OF A SPECIAL FILEMENT BAR

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.

Текст научной работы на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ ДИАМЕТРА ПРУТКА СПЕЦИАЛЬНОГО ФИЛАМЕНТА»

УДК 621:658.5:005.6

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-228-234

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ ДИАМЕТРА ПРУТКА

СПЕЦИАЛЬНОГО ФИЛАМЕНТА

P.C. Загидуллин, В.Д. Жуков, Н.В. Родионов

В работе поставлена проблема, которая характеризуется высоким уровнем вариабельности диаметра прутка специальных филаментов, приводящая к значительному понижению таких ключевых показателей качества напечатанных деталей, как прочность и жесткость. Проведены замеры диаметра прутка специального филамента - полимерного композиционного материала (нейлон PA12 + стекловолокно GF12), на основе которых построены гистограммы и диаграммы вариабельности диаметра прутка филамента. На основе анализа гистограмм и диаграмм установлен высокий уровень вариабельности диаметра прутка полимерного композиционного материала. Продемонстрированы фотоизображения с цифрового промышленного микроскопа геометрии (шероховатости и поперечного сечения) полимерного композиционного материала и инженерного филамента ABS. Предположено, что причиной высокого уровня вариабельности диаметра прутка полимерного композиционного материала является введение в матрицу наполнителя из стекловолокна. Продемонстрировано фотоизображение с цифрового промышленного микроскопа напечатанного первого слоя с высоким уровнем вариабельности диаметра прутка полимерного композиционного материала, на основе анализа которого выявлены параллельные и угловые зазоры между экструдированными (расположенными) нитями.

Ключевые слова: качество, FDM 3D-печать, специальный филамент, полимерный композиционный материал, вариабельность, прочность на растяжение.

В производстве деталей и узлов изделий авиационной и ракетно-космической техники с появлением новых полимерных материалов, армированных углеволокном, стекловолокном и металлическими порошками, технология FDM печати c каждым годом находит все более широкое применение.

Технология FDM 3D-печати заключается в построении физического объекта по электронной геометрической модели путем экструзии материала. Экструзия материала (material extrusion) - это процесс аддитивного производства, в котором материал выборочно подается через сопло или жиклер [1].

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 [2, 3]. Вместе с тем, важно заметить, что технологи и операторы аддитивного оборудования еще на этапе внедрения 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 филаментов [4].

На рис. 1 продемонстрирована диаграмма Исикавы для FDM 3D-печати деталей и узлов изделий авиационно-космической техники. В качестве ключевого показателя качества выбрана прочность напечатанных деталей и узлов.

ФзппчЁСКне cnofli

\r\: crqïïctth

Мсмкн'зеошс ' ы Г\ : d I ели.. '. м:. с во

Геометр] песнге свойства злшмсф. ше^хюмттосп* :: щх i

Kauiieinpawu i:'.:Ii: -Нгмжнйстъ-

t ^ .Ц /У.

^FDM 3D-npaHicp I Суоркн-I 'i; i'vi : -

Детали '■'.:!

ripOltHKÄUfÜC убеспсчсщю-■

Калнбро&ка

Тех яо л ornee кий [ipouccc HD M печати

í [.". it i м. ' г;:..

С ' пецна."Елые параметр,

Эосспзвмкпл нк lapamp

Vf; VI: I-

Ккиш^икацпя M'-.

Оиучеш»

Оиорудшяшзс: 31 инструмента

I M И"£ШЗ]ЗСНЗШ

Метод

• . : il'!;- ионструктор | технолог-оператор)_J

Пра<ШПСТ|>

Uli I] Г Ч .11 Л 11 II 1J1

деталей в у vi o b

Рис. 1. Диаграмма Исикавы для FDM 3Б-печати

Как видно из диаграммы, одним из факторов, влияющих на прочность напечатанных деталей и узлов, являются геометрические свойства поставляемых филаментов, в частности, диаметр прутка поставляемых филаментов.

На рис. 2 продемонстрирован замер электронным цифровым штангенциркулем (с точностью до 0,02 мм) диаметра прутка специального филамента - полимерного композиционного материала с матрицей из нейлона РА12 и наполнителя из стекловолокна GF12 отечественной компании-производителя фи-ламентов.

Рис. 2. Замер диаметра прутка специального филамента цифровым штангенциркулем

Проведено 100 замеров диаметра прутка филамента с интервалом 10-15 мм. После отмотки 3000 мм прутка филамента проведено повторные 100 замеров с аналогичным интервалом.

На основе проведенных замеров построены гистограммы и график частот появления значений замеров диаметра прутка филамента (рис. 3-5).

Рис. 3. Частоты появления значений первых 100 замеров диаметра филамента

Вторые 100 замеров

[1,62,1,65] [1,65,1,68] [1,68,1,71] (1,71,1,74] (1,74,1,77] Интервалы, мм

Рис. 4. Частоты появления значений вторых 100 замеров диаметра филамента

%

И !'75 О

^ 1 7

<и 1,7 |

се

« 1,65 ®

Я £

Й 1-55 го

.1/

Количество замеров =•= Первые 100 замеров 1 Вторьте 100 замеров

Рис. 5. График значений замеров диаметра прутка филамента

229

Номинальный диаметр Вм прутка филамента, заявленный производителем, равен 1,75 мм. Согласно ГОСТ Р 59100-2020 предельное отклонение по диаметру должно составлять +0,03 мм [5].

Как видно из рис. 3 и 4, наблюдается высокий уровень вариабельности диаметра прутка филамента: минимальный диаметр прутка филамента Втп равен 1,60 мм, а максимальный Втах - 1,77 мм. Наиболее высокие значения частоты появления имеют интервалы размеров 1,63-1,66 мм (рис. 3) и 1,651,68 мм (рис. 4). Низкие значения частоты появления имеют интервалы размеров 1,72-1,75 мм (рис. 3) и 1,74-1,77 (рис. 4).

Из рис. 5 видно, что вариабельность диаметра прутка филамента для обоих замеров практически лежит в одном диапазоне значений.

Среднее арифметическое значение х первых 100 замеров диаметра прутка филамента составляет 1,6713 мм, для вторых 100 замеров - 1,6811 мм.

Среднее квадратичное отклонение первых 100 замеров диаметра прутка филамента составляет 0,035 мм, для вторых 100 замеров - 0,034 мм.

На рис. 6 приведены график Гаусса-Лапласа для проведенных замеров.

14 ш

К к

2 X 0 1,55 1,6 1,65 1. Значения замеро —1—Первые 100 замеров — ]

,7 1,75 1,1 В, ММ Вторые 100 замеров

Рис. 6. График Гаусса-Лапласа для проведенных замеров

Предположено, что высокий уровень вариабельности диаметра прутка филамента обусловлен введением в матрицу филамента наполнителя из стекловолокна.

На рис. 7 продемонстрировано фотоизображение полимерного композиционного материала без механической обработки с цифрового промышленного микроскопа Eakins 37MP с объективом 8х-100х C-Mount китайской компании Shenzhen Huaxin Electronic Co со 100 кратным увеличением.

Рис. 7. Фотоизображение полимерного композиционного материала с цифрового микроскопа

На рис. 8 продемонстрировано фотоизображение филамента ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол) без механической обработки с цифрового микроскопа.

Как видно из рис. 7 и 8, у полимерного композиционного материала наблюдается крайне «грубая» шероховатость поверхности по сравнению с филамента ABS.

Высокие значения частот появления интервалов размеров 1,63-1,66 мм и 1,65-1,68 мм приводят к недоэкструзии филамента, которая в свою очередь приводит к понижению прочности напечатанных деталей.

На рис. 9 продемонстрирован первый слой FDM печати образца с вышеуказанными значениями вариабельности диаметра прутка полимерного композиционного материала.

Рис. 8. Фотоизображение филамента ABS с цифрового микроскопа

Рис. 9. Первый слой FDM печати образца с вариабельности диаметра прутка филамента:

Dmax = 1,75 мм, Dmin = 1,61 мм

Как видно из рис. 9, форма первого слоя образца представляет собой образец для испытаний типа 1В согласно ГОСТ 32656-2017 (ISO 527-4:1997, ISO 527-5:2009) [5].

На рис. 10 продемонстрирована фотоизображение указанного слоя FDM печати образца. В качестве программного обеспечения для обработки фотоизображения применена программное обеспечение ToupView.

Рис. 10. Фотоизображение первого слоя FDM печати образца с микроскопа

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 указанного выше первого слоя образца выбраны технологические режимы печати согласно стандартным настройкам программы CURA - профиль «Draft» (табл. 1).

Выбранные технологические режимы FDM^ печати

Таблица 1

№ п/п Технологические режимы FDM печати Значение

1 2 3

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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 опыт как среднее значение интервала температур, рекомендованного компанией-производителем филамента (рис. 11).

Рис. 11. Основные технологические режимы печати филамента

Как видно из рис. 10, на образце между нитями присутствуют зазоры (щели) 2: максимальный зазор между внутренними параллельно экструдированными (расположенными) нитями 2ртах = 0,38 мм, максимальный угловой зазор между стенкой и внутренними параллельно нитями 2стах = 1,00 мм. Указанные зазоры свидетельствуют о недостаточном экструдировании филамента, которое вызвано вариабельностью диаметра прутка филамента. В свою очередь, недостаточное экструдирование приводит к снижению таких ключевых показателей качества аэрокосмических конструкций, как прочность и жесткость.

На основании изложенного возникает необходимость исключить из использования в производстве аэрокосмических конструкций дорогостоящие специальные филаменты (полимерные композиционные материалы) с высоким уровнем вариабельности диаметра прутка или стремиться нивелировать («компенсировать») эту вариабельность.

4627095774027

Таким образом, в работе приведены результаты замеров диаметра прутка специального фила-мента, в частности, полимерного композиционного материала. Построены гистограммы и диаграммы вариабельности диаметра прутка филамента. На основе анализа гистограмм и диаграмм установлен высокий уровень вариабельности диаметра прутка полимерного композиционного материала. Продемонстрированы фотоизображения с цифрового промышленного микроскопа геометрии (шероховатости и поперечного сечения) полимерного композиционного материала и инженерного филамента ABS. Предположено, что причиной высокого уровня вариабельности диаметра прутка полимерного композиционного материала является введение в матрицу наполнителя из стекловолокна. Напечатан первый слой с установленным уровнем вариабельности диаметра прутка полимерного композиционного материала. На основе анализа фотоизображения напечатанного первого слоя с промышленного цифрового микроскопа выявлены параллельные и угловые щели, которые приводят к потере значения такого ключевого показателя качества деталей и узлов изделий авиационно-космической техники, как прочность.

Целью дальнейших исследований является повышение качества FDM 3D-печати полимерными композиционными материалами за счет нивелирования вариабельности диаметра прутка специального филамента путем экспериментального подбора технологических режимов печати [6-13].

Список литературы

1. ГОСТ Р 57558-2017/ISO/ASTM 52900:2015 Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 2. Материалы для аддитивных технологических процессов. Общие требования. М.: Стандартинформ. 2019. 12 с.

2. Загидуллин Р.С., Митрошкина Т.А., Садыков О.Ф., Высоцкая М.В., Нагурный 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.

3. 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. D0I:10.1088/1757-899X/714/1/012006.

4. 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.

5. ГОСТ Р 59100-2020 Пластмассы. Филаменты для аддитивных технологий. Общие технические требования. М.: Стандартинформ. 2020. 11 с.

6. Колодкин Д.Ю., Боброва В.В., Спиглазов А.В, Кордикова Е.И. Оптимизация технологических параметров FDM-печати для улучшения прочностных характеристик изделий из АБС-пластика // «НЕФТЕХИМИЯ - 2019»: материалы II Международного научно-технического и инвестиционного форума по химическим технологиям и нефтегазопереработке. 2019. С. 494-501.

7. Низина Т.А., Низин Д.Р., Миронов Е.Б., Мартьянова А.В. Влияние технологических режимов на упруго-прочностные характеристики FDM-печатных образцов // ОГАРЁВ-ONLINE. - 2022. -№ 3 (172). С. 1-7.

8. Slonov A.L., Khashirov A.A., Zhansitov A.A., Rzhevskaya E.V., Khashirova S.Y. The influence of the 3D-printing technology on the physical and mechanical properties of polyphenylene sulfone // Rapid Prototyping Journal. 2018. Vol. 24. №. 7. P. 1124-1130.

9. Аliaksandr S., Ammar S., Dzhendo D. Influence of technological parameters of FDM-print on the strength characteristics of samples of polyamide // Machines. Technologies. Materials. 2020. Vol. 14. Issue 5. PP. 210-212.

10. Patrich F., Christian L.-C., Gian M.S., Merve S., Elisa C., Leonardo F., Giampiero D., Alfredo L. Relationship between FDM 3D printing parameters study: parameter optimization for lower defects // Polymers. 2021. Vol. 13. Issue 13. P. 210-212. DOI: https://doi.org/10.3390/polym13132190.

11. Razieh H.S., Christine C., Vincent N. Investigation of the adhesion properties of direct 3D printing of polymers and nanocomposites on textiles: Effect of FDM printing process parameters // Applied Surface Science. 2017. Vol. 403. P. 551-563.

12. 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. P. 236-246.

13. 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 (6). Issue 334. DOI:10.3390/polym12061334.

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 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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.