CC BY
2
From the standpoint of a stochastic approach, the main methods for modeling the process of mixing granular components in rarefied flows obtained in the working volumes of equipment in the chemical, food, and construction industries are analyzed. Providing a theoretical basis for various stages of designing special-purpose mixing devices is one of the urgent tasks of improving the process of mixing bulk components. The features of analytical methods of stochastic modeling are shown using the example of the energy method.
Key words: process, mixing, granular components, rarefied flow, methods, model.
Stenko Dmitry Vladimirovich, postgraduate, dvs3d@yandex. ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical
University,
Kapranova Anna Borisovna, doctor of physical and mathematical sciences, professor, [email protected], Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Ermolov Alesey Veniaminovich, senior lecturer, [email protected], Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University
УДК 678.8
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-273-274
ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПНЫХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ FDM-ТЕХНОЛОГИИ
Д.В. Стенько, А.А. Хапов, А.Б. Капранова, Н.В. Бадаева, Е.Р. Новиков
В настоящей работе исследуются механические характеристики экспериментальных образцов, изготовленных из различных термопластичных полимеров с помощью FDM технологии. Проведена оценка влияния ориентации укладки слоев на анизотропные свойства изделий.
Ключевые слова: аддитивные технологии, SD-печать, полимеры, анизотропные свойства, FDM технология.
Для снижения сроков и стоимости разработки различных пластиковых или металлических изделий применяются аддитивные технологии. Основное отличие от классических технологий производства, когда лишний материал удаляется из заготовки, при аддитивном производстве происходит послойный синтез материала, на основании цифровой модели спроектированной в САПР. Наиболее распространенным и широко используемым методом 3D-печати является послойное наплавление полимерного материала (FDM - fused deposition modeling) [1].
При печати каждого слоя экструзионная головка перемещается по траектории, заданной кодом, который генерируется управляющей программой, созданной на основе цифровой модели. За счет разного направления укладки полимерной нити формируются линии границы и линии внутреннего заполнение для каждого слоя (рис. 1).
Данная особенность формирования слоя влияет на его сплошность. В местах соединения линий заполнения и линий границ внутри изделия могут образовываться микропоры. После нанесения слоя полимер остывает и затвердевает, а значит разность температуры каждого слоя может приводит к появлению напряжений внутри изготавливаемого изделия. Наличие вышеперечисленных особенностей может значительно влиять на изотропность изделий изготовленных по FDM технологии [2-4].
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование механических характеристик полимерных изделий, изготовленных из полимерных материалов, а также определение влияния ориентации слоев по отношению к направлению нагрузки, приложенной к изделию. Для достижения поставленной цели предлагается произвести эксперименты по определению прочности на разрыв и статический изгиб напечатанных образцов. Для исследования был выбран материал полиэтилентерефталат (ПЭТ-Г) — это широко распространённый материал, адаптированный для 3D-печати. В САПР Компас3D была разработана параметрическая 3D-модель лопатки с геометрическими размерами в соответствии с ГОСТ 32656-2014. Наборы лопаток изготавливались с одинаковыми режимными параметрами на одном 3D-принтере - Ender 3. Основные режимные параметры 3D-печати представлены в таблице 1.
В работе [5] предложено несколько вариантов ориентации изделия и слоев, из которых оно состоит относительно осей пространственной декартовой системы координат. В настоящей работе печать лопаток производилась двумя способами: вертикальная укладка слоя, когда плоскость слоя перпендикулярна оси Oy, (рис. 2а) и горизонтальная укладка слоев, когда плоскость слоя сонаправлена с осью Oy (рис. 2б). В обоих случаях линии заполнения нечетных слоев ориентированы перпендикулярно к линиям заполнения четных слоев лопатки.
Перед проведения эксперимента были проведены измерения фактической ширины и толщины узкой части лопатки. Измерения выполнялись ручным штангенциркулем ШЦ-1-250. Испытание образцов на разрыв проводились на разрывной машине ИР-5118-5М, с максимальной разрушающей нагрузкой 100 кН. Для фиксации образцов использовались механические клиновые захваты. Направление сила для растяжения образцов совпадает с осью Oy. Таким образом, для лопаток с вертикальной укладкой слоя (рис. 2а) растяжение осуществлялось поперек слоя, а для лопаток с горизонтальной укладкой (рис. 2б) - вдоль слоя. Расчет прочности на разрыв производился в соответствии с ГОСТ 11262-2017, расчет прочности при статическом изгибе - согласно ГОСТ 4648-2014, результаты представлены в таблице 2.
Результаты механических испытаний показали, что образцы имеют различную прочность при одинаковом типе нагрузок. При этом в местах деформации лопатки имеют разнохарактерные разрушения (рис. 3), что говорит о неравных значениях предельной деформации для образцов из полиэтилентерефталата. При растяжении вдоль слоев наблюдается увеличение предельной деформации образцов, а, следовательно, и возрастание значения модуля упругости. Заметим, что частично данный вопрос был рассмотрен в экспериментальной работе Уланова А.О. [6].
273
Рис. 1. Структура слоя при печати по FDM технологии: 1 - линии границы слоя, 2 - линии заполнения слоя
Таблица 1
Режимные параметры печати лопаток
№ п/п Наименование параметра Значение параметра
1. Температура сопла, °С 230
2. Температура печатной платформы, °С 75
3. Высота слоя, мм 0.2
4. Количество линий стенок, шт. 2
5. Скорость печати стенок, мм/с 30
6. Скорость печати заполнения, мм/с 40
7. Ширина линии, мм 0.6
8. Плотность заполнения, % 100
9. Скорость перемещения экструзионной головки, мм/с 100
о X О X
а 6
Рис. 2. Фото экспериментальных лопаток: а - плоскость слоев лопатки перпендикулярна оси Оу, б - плоскость слоев лопатки параллельна оси Оу
Таблица 2
Прочность на разрыв, МПА
Растяжение поперек слоя
Номер образца Ширина узкой (рабочей части) лопатки, b, мм Толщина лопатки, h, мм Нагрузка, F, Н Предел прочности, о, МПА
1. 9.91 3.81 1276,3 33.8
продолжение таблицы 2
2. 9.89 3.75 1228,01 33.1
3. 9.92 3.72 1262,1 34.2
4. 9.93 3.79 1269,36 34.4
5. 9.89 3.82 1329,85 35.2
Среднее значение 34,14
Растяжение вдоль слоя
1. 9.95 3.95 1300,83 33.1
2. 9.92 3.96 1339,45 34.1
3. 9.91 3.98 1372,51 34.8
4. 9.93 3.97 1454,6 36.9
5. 9.95 3.95 1387,29 35.3
Среднее значение 34,84
Прочность при статическом изгибе, МПА
Изгиб поперек слоя Изгибающее напряжения, МПА
1. 9.92 3.82 60.48 75.2
2. 9.91 3.77 61.11 78.1
3. 9.94 3.78 62.49 79.2
4. 9.93 3.79 60.54 76.4
5. 9.91 3.83 63.40 78.5
Среднее значение 77,48
Изгиб вдоль слоя Предел прочности при изгибе, МПА
1. 9.90 3.82 32,18 40.1
2. 9.89 3.76 32,00 41.2
3. 9.91 3.72 32,08 42.1
4. 9.92 3.78 33,94 43.1
5. 9.90 3.82 32,02 39.9
Среднее значение 32,44
Рис. 3. Снимки экспериментальных лопаток после испытания на статический изгиб
При исследовании образцов на разрыв было установлено, что влияние ориентации слоев на прочность незначительно, лопатки с горизонтальной укладкой слоев (рис. 2б) оказались на 2 % прочнее. Это может быть связано с менее существенным влиянием усадки материала при печати, что подтверждается меньшим отклонением линейных размеров образцов. Однако при испытании образцов на статический изгиб прочностные характеристики лопаток с различной ориентацией слоев отличается значительно. При изгибе лопаток поперек слоя разрушить образцы не удалось, среднее значение изгибающего напряжения составило 77,48 МПа, что практически в 2 раза выше, чем прочность образцов при статическом изгибе с вертикальной укладкой слоев (рис. 2а). Полученные результаты подтверждают гипотезу об анизотропных свойствах полимерных изделий, изготовленных по FDM технологии. Кроме того, в результате данных испытаний получено, что к основным технологическим параметрам необходимо отнести угол между плоскостью слоев и направлением нагрузки, при которой будет эксплуатироваться будущее изделие. Таким образом, в настоящей работе получено подтверждение гипотезы о возможности использования FDM технологий для изготовления функциональных изделий. Однако при этом необходимо решить задачу по выбору способов снижения анизотропных свойств при реализации режима FDM печати.
Список литературы
1.Оптимизация состава полимерной композиции с пониженной пожарной опасностью на основе поликарбоната для технологии 3D-печати расплавленной полимерной нитью / М.М. Платонов, Г.Н. Петрова, С.А. Ларионов, С.Л. Барботько // Известия вузов. Сер.: Химия и химическая технология. 2017. Т. 60. №1. С. 87-94.
2.Fodran E. Mechanical and dimensional characteristics of fused deposition modeling build styles / E. Fodran, M. Koch, U. Menon // International Solid Freeform Fabrication Symposium. - 1996. - P. 419-442.
3.Ziemian C. Anisotropic mechanical properties of ABS parts fabricated by fused deposition modelling / C. Ziemian, M. Sharma, S. Ziemian. Mechanical engineering. InTechOpen. 2012. P. 159-180. Doi: 10.5772/34233
4.Ziemian S. Tensile and fatigue behavior of layered acrylonitrile butadiene styrene / S. Ziemian, M. Okwara, C. Ziemian // Rapid Prototyping Journal. 2015. Vol. 21. No. 3. P. 270-278.
5.Experimental characterization of the mechanical properties of 3D-printed ABS and polycarbonate parts / J.T. Cantrell, S. Rohde, D. Damiani d; al. // Rapid Prototyping Journal. 2017. Vol. 23. No. 4.С. 811-824.
6.Уланов А.О. PETG- и PLA-филаменты и испытания физико-механических характеристик изделий из них / А.О. Уланов, Я.Г. Иньшина // Молодой ученый. 2020. № 52(342). С. 98-101.
Стенько Дмитрий Владимирович, ассистент, [email protected], Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Хапов Артем Анатольевич, студент, [email protected], Россия, Ярославль, Ярославский государственный педагогический университет им. К.Д. Ушинского,
Капранова Анна Борисовна, д-р физ.-мат. наук, профессор, [email protected], Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Бадаева Наталья Валентиновна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Новиков Евгений Рюрикович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет
NVESTIGATION OF ANISOTROPIC PROPERTIES OF POLYMER PRODUCTS WHEN IMPLEMENTING FDM
TECHNOLOGY
D.V. Stenko, A.A. Khapov, A.B. Kapranova, N. V. Badaeva, E.R. Novikov
In this paper, the mechanical characteristics of experimental samples made of various thermoplastic polymers using FDM technology are investigated. The influence of the orientation of the laying of layers on the anisotropic properties of the products was evaluated.
Key words: Additive technologies, 3D printing, polymers, anisotropic properties, FDM technology.
Stenko Dmitry Vladimirovich, assistant, [email protected], Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Khapov Artem Anatolyevich, student, [email protected], Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Pedagogical University named after. K.D. Ushinsky,
Kapranova Anna Borisovna, doctor of physical and mathematical sciences, professor, [email protected]. Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Badaeva Natalya Valentinovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Novikov Evgeny Rurikovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University
УДК 621.9
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-276-277
ПЕРСПЕКТИВЫ УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕДНИМ УГЛОМ РЕЖУЩЕГО КЛИНА ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБУСЛОВЛЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ
В.С. Сальников, Г.В. Шадский, О.А. Ерзин
На основании анализа условий деформирования материала в зоне резания произведена оценка силового воздействия на режущего клин, определяющего возможности и перспективы управления его кинематическими углами.
Ключевые слова: операции отрезки, прорезки, режущий клин, силы резания, кинематические углы, управление.
Нарушение стационарности процесса резания оказывает влияние на все технологические показатели операций точения и определяется большим числом факторов, которые могут носить как стохастический, так и детерминированный характер. Первый связан с колебаниями припуска на обработку и параметров режима резания, характеристик заготовок, инструмента и оборудования. Статья посвящена исследованию силовых характеристик процессов с технологически обусловленным детерминированным изменением скорости резания, в частности на таких операциях, как отрезка, прорезка канавок, подрезка торца или поперечное точение.
Постановка задачи моделирования. На основании схемы резания, приведенной на рис.1, проведено исследование силовых характеристик процессов отрезки и прорезки канавок, которые в определенных условиях являются критическими с точки зрения износа и расходования инструмент.
Сечение срезаемого слоя определяет основные характеристики процесса стружкообразования:
a, • Ъ = S ■ t ; a. = S • sin®, ъ = tp ,
11 o p 1 o r u, .
sin®
Я
а = — - (P + y), sb = я- + (1)
где a15 Ъ - толщина и ширина среза, м; So, tp - подача на оборот и глубина резания, м; ®, - углы главный, вспомогательный и при вершине в плане резца; y, а, P - углы передний, задний и заострения резца; Следует отметить, что при управлении передним углом р = const, а = f (y) [5,6], а при отрезке или прорезке канавок ® = я / 2.
В основу проводимых исследований положена температурно-силовая модель Силина С.С. со следующими допущениями [1]:
- равнодействующая стружкообразования действует на плоскость сдвига под фиксированным углом 45о;
- мгновенная плоскость сдвига является касательной к радиусной части режущей кромки, угол ее наклона к скорости резания равен 6;
- на передней поверхности режущего клина имеются две зоны контакта, пластического и упругого, длины которых одинаковы;
- в зоне пластического контакта напряжения одинаковы, в зоне упругого- напряжения убывают по закону третьей степени.
Применение этого подхода на операциях продольного точения показало удовлетворительные результаты [2-6]. Однако в этих исследованиях не учитывалось изменение кинематических углов режущего клина в зависимости от его установки [7].
Кинематические углы определяются на основании известных геометрических соображений следующим образом [7]:
Ук =y + dyy + dykv; ак = я- (р + ук);
Zky = arcsin(2 • hp__/ Dt); dykv = arcctg
2
f V ^
S • n • sin 9VS
\ o q VS
+ ctgd,
VS
= -ж/2-dvy, Dt = D -S • n• t = D0(l-Tn ); T = L• t = D°_
' кУ t 0 o °V otn' 1otn . ■> lk
tk 2 • So • nq
к o q
