CC BY
24
2. Власов Н.Н., Корроль В.В., Радя В.С. Разливка черных металлов. М.: Металлургия, 1987.
272 с.
3. Сахнов Б.И., Строганов Б.Ф. Разливка стали в изложницы «утопленной» струей. М.: Металлург, №9, 2011. С. 56-58.
Вальтер Александр Игоревич, д-р техн. наук, профессор, valter.alek@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INFLUENCE OF HYDRODYNAMIC CASTING CONDITIONS ON THE FORMATION OF STEEL INGOT
A.I. Valter
A description of the motion of a jet of molten metal during its filling of the mold is given. The features of the turbulent motion of the liquid melt with the formation of cavities and their influence on the crystallization process are shown, that the dynamic characteristics of the jet depend on the type of nozzle and the magnitude and nature of disturbances acting on the free surface of the jet in the area from the nozzle end to the surface of the liquid in the mold
Key words: steel melt, mold, liquid jet movement, cavitation, dynamic characteristics of the jet, shape of the filling nozzle.
Valter Alexander Igorevich, doctor of technical sciences, professor, valter.alek@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.74.045
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-17-26
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФОТОПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НАПОРНОГО АККУМУЛЯТОРА ГИДРОМОЛОТА ТЕХНОЛОГИЕЙ
АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Д.А. Гневашев, Р.С. Белов
Статья посвящена исследованию свойств фотополимерных материалов и рекомендациям к применению при 3D-печати корпусных деталей напорного аккумулятора гидромолота с использованием LСD-технологии (Liquid Crystal Display, фотополимеризация с помощью ЖК-дисплея). В работе представлены исследования свойств инженерных фотополимерных смол HARZ Labs Industrial Nylon-like и HARZ Labs Industrial ABS. Работа показывает, что при выборе фотополимера для аддитивного производства можно успешно использовать для изготовления сложных деталей, что приводет к быстрому производству, высокой точности и даже более низким затратам по сравнению с традиционными технологиями.
Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, технология LCD, свойства материала, фотополимерные материалы - HARZ Labs Industrial Nylon-like, HARZ Labs Industrial ABS.
Аддитивные технологии (АТ) привлекают все большее внимание не только любителей цифровых современных технологий, но и исследователей, и промышленных производителей изделий из области машиностроения, благодаря возможности создания изделий сложной по геометрии формы, с заданными технологическими свойствами которую зачастую невозможно получить традиционными методами обработки [1-2].
В Московском политехническом университете на кафедре «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии» на протяжении последних десяти лет, большое внимание уделяют области аддитивного производства - изучают возможность применения аддитивных технологий в изготовлении элементов штамповой оснастки [3], проводят исследования о возможности применять различные материалы как по исходному состоянию (жидком, порошковом, цельном), так и по химическому составу (полимеры, композиционные материалы, металлы и сплавы) [4]. При выборе АТ большое внимание уделяют характеристикам свойств материала из которых получают будущее изделие [5-6].
При использовании методов аддитивного производства для изготовленияпрототипов требуется наличие оборудования, позволяющего производить печать изделия, программного обеспечения, дающего возможность корректировки технологических параметров печати для подбора наиболее оптимального режима, а также правильно подобранный материал, который должен соответствовать всем необходимым свойствам изготавливаемой детали. В настоящее время большое значение уделяется изучению свойств полимерных материалов и изделий, полученных методами аддитивных технологий.
17
В данной работе рассматривается возможность изготовления методом АТ корпусной детали узла напорного аккумулятора гидромолота Impulse 120 Classic+ «Корпус». Напорный аккумулятор - это сосуд, работающий под давлением, который позволяет накапливать энергию сжатого газа или пружины и передавать ее в гидросистему потоком жидкости, находящейся под давлением. По существующему эскизу детали (рис. 1) была спроектирована 3D модель детали «Корпус» представлена на рис. 2.
ж
Рис. 1. Эскиз детали «Корпус»
Рис. 2. 3D модель детали «Корпус»
Корпусные детали напорного аккумулятора изготавливают из стали, реже из алюминиевых сплавов традиционными способами - литье и обработка резаньем.
Технологический процесс изготовления корпусных деталей напорного аккумулятора сложен, занимает много времени и после изготовления остается большой отход в виде металлической стружки. На сегодняшний день одной из потребностей производства является усовершенствование технологии изготовления деталей напорного аккумулятора, а также поиск перспективных материалов, которые будут соответствовать заданным требованиям и условиям эксплуатации.
Решением данных недостатков можно найти в сфере аддитивных технологий. Существующие виды АТ и применяемых материалов позволяют получать детали за более короткий срок, а также соответствующего качества.
Для этого предлагается усовершенствовать существующий (традиционный) технологический процесс изготовления детали, применив метод аддитивного производства - LCD технологию (Digital Light Processing) осуществляет последовательное формирование горизонтальных слоев, засвечиванием фотополимерных смол светом жидкокристаллического проектора. Цифровая 3D модель делится на множество проекций (слоев), в форме которых и отображается световое пятно. В отличие от лазерных SLA 3D принтеров проекционные LCD могут имеют большие размеры и габариты, но скорость печати зачастую превосходит лазерные SLA принтеры, т.к. слой засвечивается полностью, нежели постепенно пятном лазера. Разрешение для SLA определется площадь пятна (80— 140 нм), а LCD разрешением проектора или ЖК-экрана. [1].
Для оптимизации формы детали, предлагается подобрать материал из инженерных пластиков, необходимый для получения требуемых характеристик детали, изготовляемой по базовой технологии или более высоких характеристик
В настоящее время технология фотополимерной печати является одной из самых точных среди множества методов 3D-печати. Существует большое количество инженерных фотополимерных смол, выдерживающих высокие температуры, воздействие вредных химических веществ, стерилизацию и интенсивное механическое воздействие.
Был проведен анализ существующих материалов, из которых были выбраны материалы, обеспечивающие успешную работу изделия, деталей в конструкции (изделии), прежде всего с точки зрения надежности в соответствующих условиях эксплуатации. Помимо основных физических характеристик, которые соответственно влияют на надежность и применимость изделия, таких как плотность, твердость,
прочность, модуль упругости, температура эксплуатации, необходимо учесть те характеристики, которые влияют на сам процесс изготовления в их числе: процесс отверждения и усадка при печати, а также немаловажный фактор влагопоглощения материала, так как данное изделие работает именно в жидкой среде. Так как одна из целей данного исследования это сделать деталь доступной по себестоимости и изготовлению в списке характеристик так же стоит учесть и стоимость материала.
В данном случае для исследования применения технологии LCD были выбраны материалы из которых будут печататься опытные образцы (таблица- сравнительные характеристики исследуемых пластиков) [7].
Сводная таблица исследуемых материалов.
Характеристики Harz Labs Industrial ABS Harz Labs Nylon-like
Плотность, г/см3 1.1 1.1
Твердость, Шор D84 D75
Относительное удлинение при разрыве, % 10,2 115
Прочность на изгиб, МПа 96 -
Прочность на разрыв, МПа 66 25
Вязкость по Брукфилду, мПА*с 375 850
Модуль упругости при растяжении, МПа - 280
Технология печати LCD/DLP LCD/DLP
Усадка при изготовлении изделий, % <0,5 <0,5
Средняя стоимость, Руб. за 0,5кг. 6000 6000
Объектами исследования являются фотополимерные смолы (таблица) и образцы, полученные из этих материалов, которые выращены по LCD технологии аддитивного производства. В качестве оборудования для исследования свойств материалов и выращивания образцов была выбрана установка аддитивного производства 3D принтер модели - Creality HALOT Sky.
Для определения механических свойств исследуемых материалов, было решено провести испытания на растяжение и сжатие.
Планирование экспериментов и изготовление образцов осуществлялось в соответствии ГОСТ:
- Растяжение - ГОСТ 11262-2017 (ISO 527-2:2012) и ГОСТ 33693-2015;
- Сжатие - ГОСТ 4651-2014 (ISO 604:2002).
Изготавливались образцы партиями:
- на растяжение по 5 образцов каждого типа материала;
- на сжатие по 10 образцов каждого типа материала. На рис. 3 представлены эскизы образцов и их типоразмеры для исследования.
Рис. 3. эскизы образцов: а - растяжение; б - сжатие
Образцы на растяжения заполняются на 100%, а ориентацию относительно плоскости стола принтера имеют 0°.
Образцы на сжатие заполняются на 100%, ориентацию относительно плоскости стола принтера имеют 90°.
Исследование материалов, испытание образцов проходили в лаборатории механических испытаний, на универсальной испытательной машине DVT FU 100 DLC-0,5.
Для обработки и графического отображения измерений использовалось программное обеспечение Devotrans.
Важную составляющую для исследования материалов, полученных по технологии 3D печати-LCD, играет постобработка образцов после выращивания.
Постобработка для образцов из материала - Industrial ABS следующая:
- промывка в изопропиловом спирте в УЗ-ванночке;
- засветка цилиндрических образцов в ультрафиолетовой камере FormCure;
- засветка лопаток в ультрафиолетовой камере WanHao Boxman в течение 30 минут.
Постобработка для образцов из материала - Industrial Nylon-like:
- промывка в изопропиловом спирте в УЗ-ванночке;
- прогрев в сухожаровом шкафу ШС 40-02 СПУ при температуре 70 градусов в течение 10 минут;
- засветка цилиндрических образцов в ультрафиолетовой камере FormCure, засветка лопаток в ультрафиолетовой камере WanHao Boxman в течение 15 минут.
В итоге было изготовлено по пять образцов лопаток и по 10 цилиндрических образцов для каждого материала и каждого условия испытаний. На рис. 4 представлены образцы после 3D печати и пост-обработки материала Industrial ABS. На рис. 5 представлены образцы после 3D печати и постобработки материала Industrial Nylon-like
Рис. 4. Экспериментальные образцы из фотополимера Industrial ABS
ГП.......}.....Т"1....."п......Г1"""""1!!......У.............ГТТ
Рис. 5. Экспериментальные образцы из фотополимера Industrial Nylon-like
Проведение исследования свойств материала.
Испытание на растяжение проводились со скоростью деформации 5 мм/мин, при максимальной нагрузке в 100кН, температуре в лаборатории 23°С, относительной влажности воздуха 50%, так же учитываются исходные размеры образцов. На рис. 6 представлено проведение испытаний на растяжение. На рис. 7 представлены образцы из исследуемых пластиков после испытаний на растяжение (разрушение).
Рис. 6. Образцы на растяжение в универсальной испытательной машине DVT FU100 DLC-0,5
а) 6)
Рис. 7. Образцы после испытания на растяжение: а - Industrial Nylon-like; б - Industrial ABS
Проведенные эксперименты по исследованию на растяжение позволили провести закономерность и построить графики зависимости (с-е напряжение - деформация). Рис. 8 - представлен график для материала Industrial ABS, на рис. 9 - для материала Industrial Nylon-like).
Рис. 8. График напряжение-деформация для Industrial ABS
21
76 ГЧ
6В 64
60
¡а
1* >
|
4D
36
32
2В
21
2D
16
12 и.
а
4
1.1 Vi П.. М 44 ГЛ i л ПЕРЕ№ЦЕИ/Е "Г Ш} 11 Г г --м г.,1 г.- г»-;
Рис. 9. График напряжение-деформация для Industrial Nylon-like
Средние значения предела прочности при растяжении, относительной деформации, модуля упругости были определены по ГОСТ 9550-81 и представлены в виде сравнительных диаграмм на рис. 10-12.
60
Растяжение
£ 50 ^
| 40
0
1 30
о
О-
5 20 3
Ё ю
52,7
18, Б
Industrial AES
Industrial Nylon-like
Рис. 10. Диаграмма предела прочности
Рис. 11. Диаграмма модуля упругости
22
Рис. 12. Диаграмма относительной деформации
Испытание на сжатие проводились со скоростью деформации 2 мм/мин, при максимальной нагрузке в 100 кН, температуре в лаборатории 23°С, относительной влажности воздуха 50%, так же учитываются исходные размеры образцов. На рис. 13 представлено проведение испытаний на сжатие.
На рис. 14 представлены образцы из исследуемых пластиков после испытаний на сжатие.
Рис. 13. Образцы на сжатие в универсальной испытательной машине
а) б)
Рис. 14. Образцы после испытания на сжатие: а) Industrial Nylon-like; б) Industrial ABS
23
Проведенные эксперименты по исследованию на сжатие позволили провести закономерность и построить графики зависимости (с-е напряжение -деформация), (рис. 15 - для материала Industrial ABS, рис. 16 - для материала Industrial Nylon-like).
I !
□ ü ою г- .. ■ :j . I iz ir. iu ¿7* • j • ч *м 1 ■,:: ui i rt í^—
---ч -.--
Рис. 15. График напряжение-деформация для материала Industrial ABS
!
I
1
/
J5
» -¿Г « .»1 -< ^ : Л ; i Mi ML 5АЭ ¿4
Рис. 16. График напряжение-деформация для материала Industrial Nylon-like
Полученные средние значения предела прочности при сжатии, относительной деформации, модуля упругости показаны на рис. 17-19.
£0
7D " 60
Í50 § «
О
5 30 г го 10 D
Industrie! ABS ndustrlal Nvlon-Mke
Сжатие
7^,5
24,9
Рис. 17. Диаграмма предела прочности 24
Сжатие
25 DD
Industrie ABS Industriel Nvlon- llke
Рис. 18. Диаграмма модуля упругости
Сжатие
Industrial ABS IndLEtricl Nvlon-like
Рис. 19. Диаграмма относительной деформации
Экспериментальное исследование выявило различное механическое поведение фотополимеров, используемых в технологии LCD. Industrial ABS показал себя более прочным, но при этом он довольно хрупкий, о чем свидетельствует его модуль упругости по сравнению с Industrial Nylon-like. Результаты значений относительной деформации при разрушении также свидетельствуют о том, что фотополимер Industrial ABS более хрупкий по сравнению с Industrial Nylon-like. Также фотополимер типа нейлон имеет довольно хороший запас по пределу текучести, что можно наблюдать по соответствующему графику напряжение-деформация. Фотополимер Industrial ABS не удовлетворяет своими свойствами ввиду высокой хрупкости, корпус из такого материала не сможет выдерживать возникающие напряжения, в следствии чего высока вероятность образования трещин.
Фотополимер Industrial Nylon-like по своим механическим свойствам имеет ряд преимуществ и позволяет изготавливать изделия функционального назначения, такие как ударопрочные корпуса, зубчатые колеса и кронштейны, за счет своей ударной вязкости, модулю упругости и удлинению на разрыв.
Список литературы
1. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. М.Техносфера, 2016.
656 с.
2. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. Пособие для инженеров. М. ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» 2015.220 с.
3. Петров П.А., Сапрыкин Б.Ю., Петров М.А., Гневашев Д.А. Пластик или металл для инструментов обработки изделий давлением. Журнал «Аддитивные технологии» /№3, 2021. С. 60-69.
4. Bytsenko, O.A., Bessonova, N.A., Dzhafarov, E.E., Tishkov, V.V., Gnevashev, D.A. Production of technological plugs for engine box and oil system using additive technologies // INCAS Bulletinthis link is disabled, 2021, 13. (Special Issue). С. 21-27.
5. Гневашев Д.А., Горячева К.Л. Исследование свойств материала образцов из титанового порошка Rematitan CL, полученных технологией аддитивного производства для применения при артродезе в ветеринарии . Технология металлов №6. 2022. DOI: 10.31044/1684-2499-2022-0-6-35-42.
6. Гневашев Д.А., Стрижевская Н.О., Быценко О.А. Исследование свойств алюминиевого сплава AlSi10Mg при изготовлении детали типа «корпус» с применением SLM-технологии аддитивного производства Технология металлов №10 2022. DOI: 10.31044/1684-2499-2022-0-10-9-19.
25
7. Свойства фотополимерной смолы для 3D принтера. [Электронный ресурс] URL: https://3d-m.ru (дата обращения: 01.12.2022).
8. ГОСТ 11262-2017 (ISO 527-2:2012) Пластмассы. Метод испытания на растяжение. М.,
2017.
9. ГОСТ 33519-2015 Композиты полимерные. Метод испытания на сжатие при нормальной, повышенной и пониженной температурах. М., 2015.
Гневашев Денис Александрович, канд. техн. наук, заведующий кафедрой, densnevashev@mail.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Белов Руслан Сергеевич, магистр, fonariki.bk@smail.com, Россия, Москва, Московский политехнический университет
STUDY OF THE PROPERTIES OF PHOTOPOLYMER MATERIALS FOR THE MANUFACTURE OF BODY PARTS OF A HYDRO-BREAKER PRESSURE ACCUMULATOR BY THE TECHNOLOGY OF ADDITIVE
MANUFACTURING
D.A. Gnevashev, R.S. Belov
The article is devoted to the study of the properties of photopolymer materials and recommendations for the use in 3D printing of body parts of a hydraulic hammer pressure accumulator using LСD technology (Liquid Crystal Display, photopolymerization using an LCD display). The paper presents a study of the properties of engineering photopolymer resins HARZ Labs Industrial Nylon-like and HARZ Labs Industrial ABS. The work shows that with the right choice of photopolymer, additive manufacturing can be successfully used to produce complex parts, resulting in extremely fast production, high precision, and even lower costs compared to other conventional technologies.
Key words: Additive technologies, 3D printing, LCD technology, material properties, photopolymer materials - HARZ Labs Industrial Nylon-like, HARZ Labs Industrial ABS.
Gnevashev Denis Alexandrovich, candidate of technical sciences, head of the department, dengne-vashev@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Ruslan Sergeevich Belov, master, fonariki.bk@gmail.com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic
University
УДК 621.791
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-26-32
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА В ЗОНАХ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
А.Е. Хачкинаян
Изложена методика теоретического расчёта температуры наплавленного металла детали, позволяющая аналитически определить температуры в зонах пластической деформации в процессе её нанесения на цилиндрические детали и в момент выключения сварочной дуги. Получены теоретические и экспериментальные зависимости распределения температуры наплавленного металла в зонах пластической деформации на каждом наплавленном валике на поверхности и по глубине детали.
Ключевые слова: наплавленный металл, температура наплавленного металла, упрочнение, пластическая деформация.
При наплавке цилиндрических деталей нанесённый слой металла находится в горячем состоянии и температура его непрерывно повышается вследствие притока тепла от сварочной дуги. Термический цикл наплавки деталей влияет на производительность наплавки и качество наплавленного слоя. Он протекает в условиях быстро изменяющихся температур. Тепловые процессы, происходящие при наплавке деталей и поверхностной пластической деформации горячего металлопокрытия, в значительной мере определяют физико-механические свойства и износостойкость поверхностного слоя и оказывают большое влияние на процессы и производительность пластической деформации [1, 3, 4, 7, 14]. В связи с этим при изучении и моделировании процессов упрочнения и формообразования горячего металлопокрытия необходимо оценивать параметры температурного поля в зонах упрочнения. Решение этой задачи наталкивается на значительные трудности, так как получить информацию о температурных полях экспериментальным путём можно только в результате постановки трудоемких специальных опытов.
26
