CC BY
14
УДК 621.9.047 048
ИГГП F ДПР АН ИР ШГИБНОЙ ПРОЧНОСТИ ORbFKTOR ЗППРЧАТИ ИЗ/-.И^ЛРКТРУЧРГ КИХ МАТЕРИАЛОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВСЕЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
И. В. Злсбнна. Н. В. Бекренев Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.,
г. Capamos, Россия
Аннотация -Расширена« сферы применении 3D нечаш в облапь иро.чышленншо upuiiiuvjciuii делает актуальной разработку- методов повышения прочности п долговечности изделии. Цель работы со стоит в обосновании рационального технологического маршрута и режимов СВЧ воздействия на конструкции из порошковых материалов, полученные при помоши технологии 3DP. Исследовано влияние СВЧ электромагнитного поля различной удельной мощности, а также времени обработки на прочностные характеристики образцов из порошковых материалов. Установлено, что СВЧ электромагнитное по-леудельной мощностью до 30 Вт/or частотой 2450 МГц вызывает увеличение изгнбнои прочности пластин до 1,77 раза, при этом наблюдается уменьшение размеров пор на 24% п снижение их дисперсшшо-чти на 30%, что доказывает возможность упрочнения в СБ4 электромагнитном поле изделии из порошковых материалов, сформированных путем 3D печати.
Ключевые слова; аддитивные технология, порэшкоЕые материалы, изгибная прочность, СВЧ электромагнитное поле, удельная мощность.
Веедение
В настоящее Бремя интенсивно развиваются алдитньные технологии создания изделий практически любой сложности. В основном пока они применяются для изготовлении прототипоБ и моделей, в архитектурном и промышленном дизайне. На сегодня преобладающей областью использования проиессэв 3D печати остается быстрое протстшшрованне. Некоторую часть приложений дайной технологии составляет также быстрое изготовление инструментальной оснастки, в частности производство пресс-форм. Известны у:педшые опыты по Ш1 шовлению нзде.шй машиносхроеаия на основе 3D иечаш. начинал оч деталей мсланичгсклл передач н завершая корпусами автомобилей н малотоннажных судов [1-2].
В настоящее гремя разработан комплекс адднптлых технологий, направленных ла формнроволне изделии ю металлических и неметаллических материалов Неметаллические материалы применяются б виде порошков и термопластичных нитей При этом порошковые материалы связываются либс непосредственно я рабочей зоне, либо требуют последующей пропитки связующим и термостатарования. Материалы в виде слоев нитей формируются путем их расплавления и застывания. Разработанные технологии поззоляют создавать изделия практически любой формы и плотности Созданы 3-D принтеры, позволяющие производить конструкции размерами от нескольких миллиметров до частей зданий, автомобилей и судов. Тем не менее, полученные по данным технологиям материалы стличаются высокой анизотропией свойств, значительными термическими напряжениями. вызывающими деформации [3-5]. Это является причинами недостаточной ззгнбвой прочности и прочности на срез аддитивных материалов (осооенно при малой толщине слоя н сложной форме изделий) по сравнению с материалами, получаемыми методами литья, штамповки, порешювой металлургии. Особенно ха-рдкхерны указанные недоел ачкн ди хехнолохий FDM (ххис.юйное нанесение расплавленной полимерной ниш -чередование быстрого нагрева н охлаждения) н 3DP (нанссение слоев порошковых материалов с пропиткой езязующим леодиородпость структуры).Однако, научные исследования в данной области направлены ла раз работку исходны:-: материалов методов соединения комлонентов. программного обеспечения, обеспечивающего мдкеимглкную толнпгтт, и прончвл.лнте.гкнопт, О научкктх исследованиях з облаггн подкпления прпчногт-ных характеристик сформированных изделий путем юполнительных воздействий на рабэчую зону в настоящее время известно мало информации. В основном ведутся инженерные разработки на уэовне изобретений без серьезного научного обоснования. В тоже время известны положительные результата пэ упразленто структурой, а следовательно, свойствами аддитивных материалов путем внешних электрофизически?: воздействий. Так. слециалисты из Лаборатории военных исследований США совместно с Университетом Висконсин — Мэдисон разработали технологию создания трехмерного полимерного компознтнэго материала с помощью 3D печати в электрическом поле |Д]. Ь этом методе, названном ламинарным синтезом композитного материала под полем (FALCom — Field-Aided Т ¿minar Composite processing), частицы в полимере выраьнизаются и ориентируются в желаемом направлении с помощью элекфическил нолей iu silu в .uuGjh точке ь ходе адлдхивнио лринзводсхва
трехмерной детали. Однако данный метод весьма энергоемок и применим только непосредственно в процессе формирования материала, что требует создания специальных 3D принтеров, которые и в существующей комплектации весьма сложны и имеют высокую стоимость.
Известно. что применение СВЧ электромагнитного по.тя дтя техловой и нетепловой обработки диэлектрических. в том числе композиционных, материалов позволяет интенсифицировать процесс н повысить степень равномерности обработки вследствие обьемного характера возлействия [7].
В настоящее время благодаря работам отечественных н зарубежных ученых: Ю.С. Архангельского, В.А. Коломейцева. Е В. Колесникова. ВА. Царева. АН. Каргнна. Г.А Морозова. О.Г. Морозова. ИА Рогова. Л.Э. Ри-кенглаза. Г. Пюшнера. J. R. Cannon. W. С. Chew. A. Razek. Т. L. White и других в основном создана теория СЕЧ нагреза диэлектрических материалов и разработаны научные основы расчета СВЧ камер различного типа и технологических магнетронов, реализованные в установках промышленного и бытового назначения. Основное внимание уделяется термической обработке пищевых продуктов, предпосевной обработке семян, сушке древесины и подобных материалов, утилизации нефтепродуктов и радиоактивных отходов, диагностике н гипертер-мнческому лечению ряда заболеваний. В области направленного СВЧ модифицирования неметаллических материалов d том числе с формнровашгем регулярных наноструктур работ относительно немного и оип поеБяше ны в основном компаундам, синтетическим волокнам н стеклотканным компознцитм. В работах С.Г. Калгано-вой [10]. С.К. Слепцовой получены результаты, свидетельствующие о положительном влиянии на прочность и другие свойства стскловолоконных н других полимерных материалов нстсплового СВЧ воздействия.
С учетом установленных эффектов СВЧ электромагнитного поля по тепловому и нетепловому модифицированию свойств компаундов и синтетических волокон, а также керамики [7-12] применение СВЧ модификации для повышения прочностных характеристик изделий, полученных путем 2D печати, может оказаться перспективным направлением. Однако з настоящее время практически отсутствует научно-техническая информация по кинетике и механизму воздействия СВЧ электромагнитного поля на материалы, используемые npH3D печати, и сформированные изделия.
постановка задачи
Механизмы взаимодействия СВЧ электромагнитного поля с материалами, образованными с применением аддитивных технологий, мало изучены. Ранее авторами были получены положительные результаты по повышению равномерности параметров структуры композиций из органических материалов в СВЧ электромагнитном поле[13. 14]. что позволяет предположить пелученне сходных эффектов применительно к указанным выше объектам, что может обеспечить управление прочностными характеристиками изделий и расширение сферы применения аддитивных технологий прн изготовлении машннострэнтельных конструкций.
Целью исследований явилось изучение влияния СВЧ электромагнитного поля на прочность конструкций из порошковых материалов, полученных прн помощи технологии 3DP. сущность которой заключается в послойном формировании изделия из диэлектрического порошка, соединении слоев связующим с последующей окончательной пропиткой и упрочняющей термостабнлизацнен. а также рационального технологического маршрута и режимов СВЧ воздействия по критерию максимального повышения прочностных характеристик.
Теория
Анализ технологии формирования изделий из порошковых диэлектрических материалов путем 3D печати н известных механизмов воздействия СВЧ электромагнитного поля на неоднородные композиции [2, 5, 7-14] позволяет предложить следующую качественную модель модифицирования структуры данных материалов. В СВЧ электромагнитном поле, мощность которого недостаточна дтя нагрева, приводящего к деструкции компонентов. интенсифицируются химические реакции между материалом дисперсной фазы и жидкостью, выполняющей роль фиксатора. 'Это вызывает образование дополнительных связей между матрицей и наполнителем, что объективно может способствовать повышению кзгибной прочности. Одновременно с этим дипольная организация структуры фиксирующей жидкости в СВЧ электромагнитнем поле может способствовать равномерному ее проникновению в пространство между частицами, что также может привести к росту количества связей вследствие увеличения точек контакта между ними. Воздействие СВЧ электромагнитного поля высоких удельных мощностей, способное вызвать нагрев структурных компонентов, из-за различия в их диэлектрических и теплофнзичесЕнх свойствах может привести к термическим неравномерным деформациям и внутренним напряжениям, превышающим предел прочности связующего итн дисперсной фазы, что уменьшит количество связей в структуре. Вктад этих механизмов опреде.ляет повышение или снижение лрочностн материалов, подвергнутых СВЧ обработке.
Результаты экспериментов Б экспериментах использовали специальную СВЧ установку (рис. 1а) с магнетроном с частотой 2450 МГц. Применяли три режима СВЧ мощности: низкий, средний и высокий, обеспечивающие удельную подл еденную к образцу СВЧ мощносгь4-5, 15-16 и ЗС-Э2 Вт/см3.Прочность образцов исследовали на специальной установке, компьютернсй установке, оснащенной тензометрнческнмн датчиками усилий и червячным механизмом нагэу-ження (рис 16). В соответствии с технологией ЗБР на принтере модели 2РшИег450 из диэлектрического ло-рошка марки 130 формировали образцы в вщ:е пластин длиной 80 мм, шириной 8 мм и толщиной 1,5 мм для испытаний на изгнбную прочность. Применяли дополнительную пропитку для повышения прочности на основе цнакокрнлата2-Вопс!1М90.
а 6
Рис. 1. Экспериментальное оборудование: СВЧ технологическая установка (а); установка для исследования прочнэстн образцов (б)
Были получены следующие образцы: I - образец без дополнительной пропитки (контрольный 1); П - образец без дополнительной пропитки с СВЧ обработкой после формирования; Ш - образец с дополнительной пропиткой ^контрольный 2); IV - образец с СВЧ обработкой после формирования и с последующей дополнительной пропиткой; V - образец с СВЧ обработкой после дополнительной пропитки; VI - образец с СВЧ обработкой до и после дополнительной пропитки.
На основе полученных результатов расчетным путем определяли предельные напряжения изгиба н среза [15]. Поверхность образцов до испытаний и поверхность зоны излома изучали при помощи цифрового микроскопа Digital Microsccpe 2.0 MP ЮООХ при увеличении соответственно х17 и х40С с выводом на экран ноутбука.
На основе известной илощади шшеиечнию сечения о бра ¿див и определенной силы излома вычме.ояли максимальное изгнбное напряжение, действующее в момент разрушения образца.
Наилучшие результаты по нзгибной прочности быта получены при использовании удельной СВЧ мощности 30-32 Вт/см1 и времени воздействия 6Э с. Дальнейшее увеличение времени воздействия не приводит к существенному росту нзгибной прочности, следовательно увеличение времени воздействия более 60 с нецелесообразно по причине роста длнтел>ности технологического цикла. На рис. 2 представлена гистограмма максимальных ни ибных напряжении оршх. возникающих при разрушении внешней нагрузкой в образцах I—VI, изюив-ленных в соответствии с описанной выше методикой.
Из гистограммы видно, что место СВЧ обработки в технологическом цикле существенно влияет на прочность сформированного образца, характеризующуюся предельными шгибнымн напряжениями. Обработка сформированных образцов в СВЧ электромагнитном поле частотой 2450 МГц с удельной мощностью 30,5 Вт/см3 с последующей их пропиткой (IV) обеспечивает по сравнению с существующими технологиями 3DP (Ш) увеличение нзгибной прочности в 1,77 раза. Использование СВЧ обработки после пропитки практически не влияет на изгнбную прочность (V) или несколько ее снижает. Двухстаднйна* СВЧ обработка: непосредственно после формирования образца и после его пропитки повышает изгнбную прочность не более чем на 12-13%, что может считаться несущественным.
о, Н/мм
2s
21,0
iv v vi
Рис. 2. Влияние места СВЧ обработки в технологическом цикле на изгнбнке напряжения в образцах в сравнении с обработкой без СВЧ воздействия (цифры означают последовательность операций, указанную выше)
11о микрофотографиям (рис. 3) оценнзалн внешний вид излома, размеры агломератов и пор, разброс размеров указанных элементсв структуры.
шт
а
V
Vb
Рис. 3. Влияние СВЧ электромагнитного поля н времени обработки на микроструктуру образцов (х4Ш): время 60 с (о, в), время 10 с (г, д) контрольный образец Of = 3,827 Н/мм2(а); после СВЧ обработки при Руд= 4-5 Вт/см5 оТ = 4,3 Н/мм2 (6), оТ = 4,0 Н/мм2 (г)\ приР)3 = 30-32 Вт/см3 oF = 5,3 Н/мм2^Л оТ = 4,2 Н/мм2 ( д)
Обсуждение результатов
Результаты экспериментов показывают. что наибольший эффект по упрочнению достигается при максимальной удельной мощности из исследуемого диапазона и максимальном времени воздействия. При этом время оказывает существенно большее влияние, чем мощность СВЧ электромагнитного поля. К максимальному эффекту приводит сам факт помещения образца в СВЧ электромагнитное поле, т.е. здесь имеет значение перестройка связующею и наполнителя на молекулярном уровне и появление новых связей между комшненгами. Изучение структуры образцов на их изломе показало, что применение СВЧ обрабстки после дополнительной пропитки сформированных образцов (схемы V и VI) вызывает образование микротрещин в связующем, что, очевидно, является ири-шной снижения лределькых изтибных напряжений. Образование мнкрогренин может быть связано с различными тепло- и электрофизическими характеристиками порошкообразного материала н связующего, что приводит к различному взаимодействию с СВЧ электромагнитным полем и возможному разному изменению размеров и различным деформациям отдельных компонентов сформированного композиционного материала. У образца II (с СВЧ обработкой после формирования) размеры промежутков между частицами (поры) снижаются на 9,2-24 %, а у образца Ш (пропитка без СВЧ) практически не изменяются. При обра-
ботке с последовательностью операций для обраща 1\г (пропитка после СВЧ обработан) дополнительно повышается однородность структуры - дисперсия размеров пор снижается на 25-32 %. Повышение однородности структуры и уменьшение размеров пор после СВЧ обработки, видимо, способствует увеличению количества связей между' частицами и увеличению предельных югибных напряжений. Пропитка такой модифицированной структуры очевидно происходит более равномерно, связующее проникает по всему объему, формируя приблизительно однородные объемные связн {(частицы-связующее». что дополнительно увеличивает вероятность равномерного сцепления частиц и формирования изотропной композиции.
вывод ы и заключение
1. Определен рациональный технологический маршрут изготовления изделий по технологии 3DP с СВЧ обработкой: состоящий из операций: формирование азделнж путем послойной печати с фиксирующей пропиткой. обработка в СВЧ электромагнитном поле, упрочняющая пропитка жидким связующим, сушка.
2. СВЧ электромагнитное полеудельной мощностью до 30 Вт/см3 частотой 2450 МГц при времени воздействия около 60 секунд вызывает увеличение езпнпнон прочности до 1.77 раза, при этом наблюдается уменьшение размеров пор на 24% и снижение их дисперсшшочти на 30%.
3. Предложен механизм упрочнения порошковой композиции в СВЧ электромагнитном поле, заключающийся в изменении характера и количества связей в структуре на микро- и наноуровне. при повышении равномерности их распределения в объеме материала. В данном направлении целесообразно проведение дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.
Список ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bouiell D. L.r Beanian J. J.. Leu ML C.. Rosen D. W A Brief History of Additive Manufacturing and the 2003 Roadinap for Additive Manufacturing: Looking Back.
2. Ehrenberg R.The 3-D Printing Revolution: Dreams Made Real One Layer at a Time // Science News. 2013. Vol.1 S3, no.5. P. 20-25.
3. Sood A. K.. Ohdar R. K_. Mahapatra S. S. Parametric Appraisal of Mechanical Property of Fused Deposition Modeling Processed PartstlMaterials & Design. 2010. Vol. 31, no.l. P. 287-295.
4. Anitha E__ Anmachalani S. Radhakrisliuan P.Critical Parameters Influencing the Quality of Prototypes in Fused Deposition Modeling// J. Mater. Proc. Tech. 2001. Vol. 118, no 1-3. P. 385-388.
5. Travitzky N.. Bonet A, Denneik В.. Fey Т.. Filbert-Demut I.. Schlier L., Schlordt Т.. Greil P. Additive Manufacturing of Ceramic-Based Materials H Adv. Eng. Mater. 2014. Vol. 16. no. б. P. 729-753.
6. Holmes. L. R.JR and Riddick J. C. Research Summary of an Additive Manufacturing Technology for the Fabrication of 3D Composites with Tailored Internal Structure ii ЮМ.2014. Vol. 66. no. 2. P. 270-274.
7. Архангельский Ю. С. Справочная кннга по СВЧ-электротермии. Саратов: Научная книга, 2011. 560 с.
8. Swaminathan G.. Datta А. В., Satapathy L. N. Microwave sintering of abrasion resistant alumina liner tiles // Proc. of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications. 7-12 November 2004. Texas. 2004. Pg.5 of the Austin.
9. Estel L.. Lebaudy Ph.. Ledoux A.. Bonnet C., Dehnotte M. Microwave assisted blow molding of polyethylene-terephthalate (PET) bottles // Proc. of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, 7 -12 November 2004. Texas, 2004. Pg. 33 of the Austin.
10. Калганова С. Г. Электротехнологня нетепловой модификации полимерных материалов в С ВЧ электромагнитном поле: дне... .д-ра техн. наук. Саратов. 2009.
11. Рахманкулов Д. Л., Бнкбулатов И. X.. Шулаев Н. С.. Шавшукова С. Ю. Микроволновое излучение и интенсификация химических процессов. М.: Химия. 2003. 220 с.
12. БарошшГ. С., ЗавражинД. О... Попов А. Г.[и др.]Влиянне СВЧ-излученпя на формирование структурно-механическнх свойств модифицированных полимер-углеродных материалов при твердофазной экструзии // Научные ведомости. Сер. Математика. Физика. 2011. Вып. 23.№ И (106). С. 123-128.
13. Злобнна И. В.. Коломейцев В. А, Бекренев Н. В.Повышение равномерности термической обработки композиций органических материалов СВЧ излучением // Научное обозрение. 2014. № 12(1). С. 80-83.
14. Злобнна И. В.. Коломейцев В. А.Применение СВЧ излучения дтя термической обработки днэлектрнче-скихорганическихматернатовснеоднороднойструктуройн составом Н Актуальные проблемы электронного приборостроения АГОП-2014: материалы 11-й Междунар. науч.-техн. конф.Саратов, 2014. С. 235-241.
15. Богомаз И. В.. Мартынова Т. IL, Москвнчев В. В. Сопротивление материалов. Ml : Изд-во АСВ. 2008. Ч. 1 176 с
