CC BY
10
УДК 621:005.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-210-211
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОТОКА НА ПРОЧНОСТЬ НАПЕЧАТАННЫХ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Р.С. Загидуллин, А.В. Косенкова, В.А. Матвеев
В работе проведено экспериментальное исследование влияния коэффициента потока на прочность при растяжении напечатанных образцов по FDM-технологии. Проведены испытания на растяжение напечатанных образцов из полимерного композиционного материала: нейлон PA12 + стекловолокно GF12. На основе результатов экспериментальных исследований построены диаграммы зависимости значения максимального напряжения, геометрической и массовой характеристик от значения коэффициента потока. Даны рекомендации по нивелированию («компенсации») высокого уровня вариабельности диметра прутка филамента для обеспечения качества деталей и узлов авиационно-космической техники из полимерных композиционных материалов.
Ключевые слова: качество, FDM-печать, полимерный композиционный материал, прочность при растяжении, коэффициент потока.
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 [1].
Вместе с тем, важно заметить, что технологи и операторы аддитивного оборудования на этапе внедрения FDM технологии в производство сталкиваются с различного рода дефектами или неудовлетворительными геометрическими параметрами напечатанных деталей и узлов, которые могут составлять 10-13% отклонения от номинала [2]. Дефекты напечатанных деталей и узлов могут быть вызваны неудовлетворительно выбранными технологическими параметрами процесса FDM 3D-печати, несовершенствами конструкции FDM 3D-принтера и ошибками при подготовке 3D-модели к печати, а также различного рода недостатками поставляемых филаментов [3].
Одной из причин различного рода дефектов напечатанных деталей и узлов является вариабельность диаметра прутка поставляемых филаментов [3].
В нашем исследовании, представленном в работе [2], установлено, что высокий уровень вариабельности диаметра прутка филамента является причиной параллельных и угловых зазоров у напечатанных деталей. Для нивелирования («компенсации») высокого уровня вариабельности диаметра прутка филамента предложен способ, основанный на увеличении значения коэффициента потока Kf (flow coefficient) [3].
Настоящее экспериментальное исследование является продолжением наших исследований, представленных в работах [2, 3].
Целью настоящего исследования является изучение влияния коэффициента потока Kf на ключевые показатели качества напечатанных деталей и узлов авиационно-космической техники: прочность при растяжении, геометрические параметры и масса.
В соответствии с указанной целью поставлены следующие задачи:
1) напечатать образцы для испытания на растяжение;
2) провести замер массы и геометрических параметров напечатанных образцов;
3) провести испытания на растяжение напечатанных образцов;
4) построить диаграммы зависимости значения максимального напряжения, геометрических параметров и массы от значения коэффициента потока.
В качестве FDM 3D-принтера использован 3D-принтер марки Flying Bear Tornado 2 Pro китайского производителя Flying Bear. В качестве филамента выбран полимерный композиционный материал (ПКМ): нейлон PA12 + стекловолокно GF12. В качестве программы-слайсера использована программа UltiMaker CURA 5.2.1.
Таблица l
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
На первом этапе исследования напечатаны образцы для испытания на растяжение. Геометрические параметры образцов соответствуют образцам для испытаний типа 1В в соответствии с ГОСТ 32656-2017 (ISO 527-4:1997, ISO 527-5:2009) [4] (рис. 1).
Значения технологических параметров FDM печати соответствовали значениям параметров в табл. 1, значения коэффициента потока Кг соответствовали значениям: 105%, 110%, 115%, 120%, 125% [3]. На каждый коэффициент потока Кг напечатано по 3 образца. Кроме того, напечатаны 3 стандартных (исходных) образца с коэффициентом потока Кг равным 100%. Таким образом, всего напечатано на 3D-принтере 18 образцов для проведения испытаний.
На рис. 2 представлены напечатанные образцы для испытания на растяжение.
Рис. 2. Напечатанные образцы для испытания на растяжение
На втором этапе у каждого напечатанного образца была замерена масса m (рис. 3) на электронных весах Digital Scale Professional Mini (с точностью до 0,01 г) и геометрические параметры прямоугольного сечения S (толщина h X ширина 5 ) в середине образца электронным цифровым штангенциркулем (с точностью до 0,02 мм). Значения замеров массы m и прямоугольного сечения S (толщина h X ширина 5 ) занесены в табл. 2.
На третьем этапе проведены испытания напечатанных образцов на растяжение. В качестве базового документа, в соответствии с которым проведены испытания и обработка результатов, принят стандарт ГОСТ 112622017 (ISO-527-2:2012) и ГОСТ 32656-2017 (ISO 527-4:1997, ISO 527-5:2009) [4, 5].
Напечатанный образец в тисках универсальной испытательной машины фирмы ZwickRoell Z050 представлен на рис. 4.
Рис. 3. Замер массы напечатанного образца на электронных весах Digital Scale Professional Mini
llH
Щ
MM
Рис. 4. Напечатанный образец в тисках универсальной испытательной машины фирмы /нчскКоеИ /(15(1
В табл. 2 представлены результаты испытания на растяжение.
Результаты испытания напечатанных образцов на растяжение
Таблица 2
№ п/п Коэф. потока, Kp, % Прямоугол. сечение: толщина h X ширина 5 , мм Среднее сечение, Smid , мм2 Масса m, г Средняя масса, mmd, г Макс. напряжение CTmax , МПа Среднее макс. напряжение am,d max, МПа
1 2 3 4 5 6 7 8
2,1 X 10,03 4,57 39,9
1 100 2,15 X 10,16 21,26 4,58 4,55 45,5 43,57
2,07 X 10,08 4,51 45,3
2,05 X 10,04 4,7 52,2
2 105 2,16 X 10,18 21,67 4,83 4,78 48,9 49,47
2,2 X 10,2 4,82 47,3
2,11 X 10,1 4,65 50
3 110 2,25 X 10,2 22,36 5,07 4,95 53,7 51,77
2,23 X 10,23 5,12 51,6
2,13 X 10,16 4,86 55,4
4 115 2,33 X 10,22 22,86 5,15 5,09 54 54,33
2,25 X 10,28 5,27 53,6
2,2 X 10,16 5,1 55
5 120 2,39 X 10,33 23,69 5,4 5,32 54,4 55,13
2,33 X 10,32 5,45 56
2,25 X 10,24 5,20 51,9
6 125 2,43 X 10,4 24,35 5,56 5,42 50,7 52,1
2,38 X 10,39 5,51 53,7
На четвертом этапе на основе полученных результатов испытания напечатанных образцов на растяжение (табл. 3) построены диаграммы зависимостей:
1) площади среднего прямоугольного сечения Smid напечатанных образцов от коэффициента потока Кг;
2) средней массы mmid напечатанных образцов от коэффициента потока Кг;
3) среднего значения максимального напряжения С пгШ тах напечатанных образцов от коэффициента потока Кг;
На рис. 5 представлена диаграмма зависимости площади среднего прямоугольного сечения Smid напечатанных образцов от коэффициента потока Кг.
Рис. 5. Диаграмма зависимости площади среднего прямоугольного сечения Бши напечатанных образцов
от коэффициента потока Кк
На рис. 6 представлена диаграмма зависимости средней массы mmid напечатанных образцов от коэффициента потока Кг.
Рис. 6. Диаграмма зависимости средней массы Шш^а напечатанным образцов от коэффициента потока Кк
На рис. 7 представлена диаграмма зависимости среднего значения максимального напряжения СтШ т напечатанных образцов от коэффициента потока Кг.
ф 54,33 51.77 52,10
95 100 105 110 115 120 125 130
Рис. 7. Диаграмма зависимости среднего значения максимального напряжения СтШ тах
цов от коэффициента потока Кк
213
напечатанные образ-
Как видно из диаграмм зависимостей на рис. 5 и 6, с увеличением коэффициента потока Кг средние значения площади прямоугольного сечения Smid и массы mmid увеличиваются с увеличением значения коэффициента потока Кг и достигают максимальной величины при 125 % значения коэффициента потока Кг.
В свою очередь, средние значения максимального напряжения Cmid max достигают максимальной величины при 115-120 % значения коэффициента потока Кг., а при 125 % идет понижение величины максимального напряжения Cmid max (рис. 7). На основе проведенных экспериментов можно предположить, что при коэффициенте потока Кп, равном 125%, происходит «глубокое» наслаивание нитей экструдируемого (выдавливаемого) филамента друг на друга, что приводит к понижению величины значения максимального напряжения Cmid max .
Определено экспериментальным образом, что наиболее оптимальный технологический режим FDM печати при вариабельности диаметра прутка филамента с 1,60 до 1,75 мм [2] достигается при коэффициенте потока Кг, равным равном 115 %. При данном значении коэффициента потока Кг достигается оптимальное сочетание геометрических размеров образцов, массы и значения напряжения <Tmax (рис. 5-7).
В качестве рекомендаций при печати деталей и узлов на 3D- принтере можно отметить следующее: технологам и операторам FDM 3D-принтера перед заправкой филамента необходимо проводить статистическую обработку результатов замера диаметра прутка филамента [2], а при выявлении высокого уровня вариабельности диаметра прутка филамента с 1,60 до 1,75 мм необходимо увеличивать значение коэффициента потока Кг до 115% и проводить печать и анализ первого слоя на наличие зазоров [3]. Указанные рекомендации даны преимущественно ПКМ с наполнителем из стекловолокна.
Таким образом, в работе представлены результаты экспериментальных исследований по изучению влияния коэффициента потока Кг на ключевые показатели качества напечатанных деталей и узлов авиационно-космической техники: прочность при растяжении, геометрические параметры и масса. Даны рекомендации по нивелированию («компенсации») высокого уровня диметра прутка филамента для увеличения качества деталей и узлов авиационно-космической техники из ПКМ.
Дальнейшие исследования направлены на поиск робастного технологического режима FDM печати по критерию наибольшего значения прочности при растяжении путем планирования экспериментов по методу Г. Тагу-ти [6-14].
Список литературы
1. 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.
2. Загидуллин Р.С., В.Д. Жуков, Н.В. Родионов Экспериментальное исследование вариабельности диаметра прутка специального филамента // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 3. С. 228-234.
3. Загидуллин Р.С., В.Д. Жуков, Н.В. Родионов Экспериментальное исследование и способ повышения качества FDM 3D-печати за счет нивелирования вариабельности диаметра прутка филамента // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 3. С. 265-271.
4. ГОСТ 32656-2017 (ISO 527-4:1997, ISO 527-5:2009). Композиты полимерные. Методы испытаний. Испытания на растяжение. М.: Стандартинформ. 2017. 30 с.
5. ГОСТ 11262-2017 (IS0-527-2:2012). Пластмассы. Метод испытания на растяжение. М.: Стандартинформ. 2017. 24 с.
6. 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.
7. 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. Вып. 12. С. 27-33.
8. Mohammed H., Sarkawt R., Yassin M.A. Investigation of tensile property-based Taguchi method of PLA parts fabricated by FDM 3D printing technology / Results in Engineering. 2021. Vol. 11 100264. DOI: DOI: 10.1016/j.rineng.2021.100264.
9. Heidari-Rarani M., Ezati N., Sadeghi P., Badrossamay M. Optimization of FDM process parameters for tensile properties of polylactic acid specimens using Taguchi design of experiment method / Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2022. Vol. 5(12). P. 2435-2452. DOI:10.1177/0892705720964560.
10. Kam M., Ipekci A., §engul O. Investigation of the effect of FDM process parameters on mechanical properties of 3D printed PA12 samples using Taguchi method. Journal of Thermoplastic Composite Materials. - 2021. DOI:10.1177/08927057211006459.
11. Vishal W., Darshit J., Akshata J., Rakesh C. Experimental investigation of FDM process parameters using Taguchi analysis / Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 27. Part 3. P. 2117-2120. DOI: DOI: 10.1016/j.matpr.2019.09.078.
12. Radhwan H., Shayfull Z., Nasir S.M., Abdellah el-hadj Abdellah, Irfan A.R. Optimization parameter effects on the quality surface finish of 3D-printing process using Taguchi method / IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 864 012143. DOI: 10.1088/1757-899X/864/1/012143.
13. Radhwan H., Shayfull Z., Nasir S.M., Abdellah el-hadj Abdellah, Irfan A.R. Optimization parameter effects on the quality surface finish of 3D-printing process using Taguchi method / IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 864 012143. DOI: 10.1088/1757-899X/864/1/012143.
14. Ajay Kumar M., Khan M.S., Mishra S.B. Effect of machine parameters on strength and hardness of FDM printed carbon fiber reinforced PETG thermoplastics / Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 27. Part 2. P. 975-983. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.01.291.
Загидуллин Радмир Салимьянович, аспирант, ассистент, Zagidullin [email protected], Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
Косенкова Анастасия Владимировна, канд. техн. наук, ведущий инженер-конструктор, [email protected], Россия, Москва, АО «НПО Лавочкина»,
Матвеев Виталий Александрович, аспирант, [email protected], Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE FLOW COEFFICIENT INFLUENCE ON THE STRENGTH OF PRINTED PARTS AND UNITS FROM POLYMER COMPOSITE MATERIALS
R.S. Zagidullin, АУ. Kosenkova, V.A. Matveev
In this paper experimental investigation of the flow coefficient influence on the tensile strength ofprinted samples using FDM technology was carried out. Tensile tests of printed samples from a polymer composite material: nylon PA12 + glass fiber GF12 were carried out. Based on the results of experimental studies, diagrams of the dependence of the value of the maximum stress, geometric and mass characteristics on the value of the flux coefficient were constructed. Recommendations for leveling ("compensation") a high level of the diameter variation in a filament rod were given to improve the quality of aerospace engineering parts and assemblies made from polymer composite materials.
Key words: quality, FDM printing, polymer composite material, tensile strength, flow coefficient.
Zagidullin Radmir Salimyanovich, postgraduate, assistant, Zagidullin_Radmir@mail. ru, Russia, Samara, Samara National Research University, Joint Stock Company Space Rocket Centre Progress,
Kosenkova Anastasia Vladimirovna, candidate of technical sciences, lead design engineer, [email protected], Russia, Moscow, Joint Stock Company Lavochkin Association,
Matveev Vitaly Aleksandrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Samara, Samara National Research
University
УДК 658.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-215-216
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ДИСПЕТЧИРОВАНИЯ РАБОТ ПО СЕРВИСНОМУ ОБСЛУЖИВАНИЮ ВООРУЖЕНИЯ И ВОЕННОЙ ТЕХНИКИ В МЕСТАХ
БАЗИРОВАНИЯ ПРИ ПОМОЩИ АППАРАТА НЕЧЁТКИХ СИТУАЦИОННЫХ СЕТЕЙ
С.А. Васин, М.Е. Дьячков
В статье описывается процесс диспетчирования хода проведения работ по сервисному обслуживанию вооружения и военной техники в местах базирования. Представлен алгоритм работы диспетчера в части контроля хода производственного процесса и принятия оперативных мер в случае возникновения ситуаций, препятствующих его непрерывному функционированию. Представлена математическая модель процесса оперативного регулирования хода производственного процесса на основе аппарата нечетких ситуационных сетей. Рассмотрены правила формирования графов штатных и нештатных ситуаций, приведен пример их построения на примере отдельных операций сервисного обслуживания вооружения и военной техники в местах базирования.
Ключевые слова: сервисное обслуживание, диспетчирование, оперативное регулирование, нечеткая ситуационная сеть, граф штатных ситуаций, граф нештатных ситуаций.
Сервисное обслуживание вооружения и военной техники (далее - ВВТ) является эффективным инструментом поддержания боеготовности российской армии. Данное понятие объединяет в себе множество работ, выполняемых на изделиях ВВТ на этапе их эксплуатации (различные типы заводских ремонтов, доработки, гарантийный ремонт, ремонт в местах дислокации, номерное техническое обслуживание и т.д.). В данной статье рассматривается сервисное обслуживание ВВТ в местах базирования, осуществляемое бригадой специалистов предприятия оборонно-промышленного комплекса (далее - ОПК) непосредственно в месте дислокации образца ВВТ.
Предприятие ОПК осуществляет работы по сервисному обслуживанию ВВТ в рамках государственных контрактов с МО РФ, что подразумевает необходимость выполнения запланированных работ с надлежащим качеством и в установленные сроки.
Предприятие, осуществляющее данный вид работ, представляет собой производственную систему, в которой функционирует производственный процесс, представленный на рис. 1.
