CC BY
6
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
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, [email protected], Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, АО «Ракетно-космический центр «Прогресс»,
Жуков Вячеслав Дмитриевич, студент, [email protected], 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, [email protected], Russia, Samara, Samara National Research University, Joint Stock Company Space Rocket Centre Progress,
Zhukov Vyacheslav Dmitrievich, student, [email protected], 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
