CC BY
10Транспортное машиностроение. 2022. № 12(12). С. 48-55. ISSN 2782-5957 (print) Transport Engineering. 2022. no. 12(12). P. 48-55. ISSN 2782-5957 (print)
Транспортные системы Transport systems
Научная статья
Статья в открытом доступе
УДК 621.763
doi: 10.30987/2782-5957-2022-12-48-55
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГЛЕ- И СТЕКЛОНАПОЛНЕННЫХ ТЕРМОПЛАСТОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
Денис Витальевич Гусевш, Максим Александрович Ларионов2
1 Российский университет транспорта, Москва, Россия
2 Институт конструкторско-технологической информатики Российской Академии Наук, Москва, Россия
1 dess.2010@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-0431-646X
2 pioneer_maxim@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-9107-3798
Аннотация
Изучена возможность использования стекло-и угленаполненных термопластов при изготовлении корпусных деталей электронной аппаратуры с использованием аддитивных технологий формообразования. Цель исследования - поиск метода изготовления сложнопрофильных поверхностей. Уменьшение трудоемкости изготовления корпусных деталей электронной аппаратуры. Повышение эффективности ремонта колесных пар подвижного состава. Задача, решению которой посвящена статья - целесообразность использования угле- и стек-лонаполненых термопластов при изготовлении корпусных деталей. Основной метод исследования - эксперимент. Новизна работы - установлена возможность использования угле- и стеклонаполненых термопластов при изготовление корпусных дета-
лей. Результаты исследования: эмпирическим методом установлены целесообразность и эффективность использования стекло- и угленаполненных термопластов при изготовлении корпусных деталей электронной аппаратуры с использованием аддитивных технологий. Вывод - использование аддитивных технологий формообразованияспособствует уменьшению трудоёмкости изготовления корпусных деталей электронной аппаратуры. Доказана возможность использования стекло- и угленапол-неных термопластов при производстве деталей транспортных систем.
Ключевые слова: аддитивные технологии, ID-печать, Fused Deposition Modeling(FDM), угле-и стеклонаполненные термопласты.
Ссылка для цитирования:
Гусев Д.В. Исследование возможности использования угле- и стеклонаполненных термопластов при изготовлении корпусных деталей электронной аппаратуры транспортных систем / Д.В.Гусев, М.А.Ларионов // Транспортное машиностроение. - 2022. - № 12. - С. 48 - 55. йог: 10.30987/2782-5957-2022-12-48-55.
Original article Open Access Article
STUDY OF THE POSSIBILITY TO USE CARBON- AND GLASS-FILLED THERMOPLASTICS FOR MANUFACTURING BODY PARTS OF ELECTRONIC EQUIPMENT FOR TRANSPORT SYSTEMS
Denis Vitalievich Gusev113, Maksim Aleksandrovich Larionov2
1 Russian University of Transport, Moscow, Russia
2 Institute of Design and Engineering Informatics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.
1 dess.2010@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-0431-646X
2 pioneer_maxim@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-9107-3798
48
© Гусев Д.В., Ларионов М.А., 2022
Abstract
The possibility of using glass- and carbon-filled thermoplastics for manufacturing body parts of electronic equipment by means of additive generation of geometry is studied. The study objective is to find a method for manufacturing complex profile surfaces, to reduce the labor intensity of manufacturing body parts of electronic equipment, to improve the efficiency of repair of rolling stock wheel sets. The task to which the paper is devoted is the expediency of using carbon- and glass-filled thermoplastics for manufacturing body parts. The main method of research is experiment. The novelty of the work is that the possibility of using carbon- and glass-filled thermoplastics for manufacturing
body parts is found and studied. Research results: the expediency and efficiency of using glass- and carbon-filled thermoplastics for manufacturing body parts of electronic equipment by means of additive generation of geometry is found empirically. Conclusion: the use of additive generation of geometry contributes to reducing the complexity of manufacturing body parts of electronic equipment. The possibility of using glassand carbon-filled thermoplastics in the production of parts for transport systems is proved.
Keywords: additive technologies, 3D printing, Fused Deposition Modeling(FDM), carbon- and glass-filled thermoplastics.
Reference for citing:
Gusev DV, Larionov MA. Study of the possibility to use carbon- and glass-filled thermoplastics for manufacturing body parts of electronic equipment for transport systems. Transport Engineering. 2022; 12:48-55. doi: 10.30987/27825957-2022-12-48-55.
Введение
Корпусные детали применяются вра-диоэлектронной аппаратуре транспортных систем. Они предназначены для размещения составных частей аппаратуры, построенных по модульному принципу, габариты которых стандартизированы и к ним предъявляется ряд жестких требований [3]. Также несущие конструкции, состоящие из корпусных деталей, предназначены для обеспечения:
- конструктивной совместимости;
- размерной взаимозаменяемости по габаритам и монтажным размерам (фиксирующие отверстия, контуры и т.д.) электронных модулей;
- рационального использования площади и объёма носителей;
- технологичности конструкции [3].
В основном корпусные детали радиоэлектронной аппаратуры транспортных систем изготавливаются из легких алюминиевых сплавов (АМг6, АМг3), дюралюминиевых сплавов (Д16, Д16Т), а также из титановых сплавов (ВТ1-0, ВТ6). При изготовлении несущих конструкций из алюминиевых сплавов традиционными методами механической обработки возникают некоторые сложности.
Высокие скорости резания вызывают возникновение высоких температур в зоне резания. Если температура повышается до такой степени, что материал обрабатываемого изделия становится пастообразным, то он начинает вытесняться из контактной зоны. Затем этот материал затвердевает и образует «фальшивую стружку». «Фальшивая стружка» обычно накапливается на режущих кромках инструмента. Поскольку «фальшивая стружка» и обрабатываемое изделие находятся в контакте друг с другом, то поверхность обрабатываемого изделия повреждается [4, 9].
Также форма корпусных деталей с каждым годом становится все сложнее, и сложнее и требует специальных навыков от оператора станков с ЧПУ, иногда и вовсе становясь невозможной при изготовлении традиционными методами механической обработки. Трудоёмкость изготовления такой детали достаточно высока.
С учетом вышеизложенных сложностей, связанных с обработкой сложнопро-фильных поверхностей или тонкостенных («ажурных») деталей была предпринята попытка изготовления их альтернативными методами, а именно, с применением аддитивных технологий.
Изготовление корпусных деталей
Изготовление несущих конструкций по аддитивным технологиям происходило с использование самодельного или ка-
стумного 3.0-принтера. Принтер работает по технологии FDM [9] (принципиальная схема представлен на рис.5).
Изготовление прототипов из легкоплавких материалов по технологии FDM заключается в том, что прутковый материал (термопластик) в специальной камере нагревают до температуры размягчения (точность поддержания температуры не ниже ±1 °С) и продавливают через фильеру диаметром 50...200 мкм. Фильера перемещается в горизонтальной плоскости по заданной программе, нанося выдавливаемую "нить" на предыдущий слой. Платформа опускается на толщину одного слоя, и процесс повторяется. Слои нара-
щиваются один за другим, вплоть до завершения построения модели с необходимыми поддержками (вспомогательными конструкциями, подлежащими дальнейшему удалению) [5, 6, 10].
Двойной экструдер системы имеет два сопла [6, 7]. Одно сопло подает компоновочный материал с катушки, а другое -легко удаляемый материал поддержки (например, воск), необходимый для формирования сложных составных объектов, с другой катушки [11, 8].
Рис. 1. Принципиальнаясхематехнологии FusedDepositionModeling(FDM) Fig. 1. Schematic diagram of the technology Fused Deposition Modeling (FDM)
В качестве модельного материала используются такие типы пластиков, как ABS, PLA, HIPS, TOTAL, PRO AerotexFlex [1]. Выбор расходного материала зависит от характеристик, предъявляемых к будущему изделию. Технические характеристики зависят от производителей данного материала, так как часто их смешивают с другими термопластиками, которые влияют на температуру экструзии, устойчивость к некоторым растворителям.
Первые экспериментальные образцы были изготовлены из ABS и PLAпластиков. Путем применения органолепти-
ческих методов исследований прочностных свойств конструкции из ABS и PLAпластиков было доказано, что из -за низкой прочности их дальнейшее использование нецелесообразно.
В конечном итоге, после анализа характеристик наиболее распространенных отечественных материалов, предлагаемых на рынке в открытом доступе, в качестве модельного материала для выращивания корпусных деталей были выбраны 4 вида пластика, которые армированы при помощи стекла и углеволокна: TITAN GF-12, ABS GF-8, TOTAL GF-30, PRO Aerotex. Физико-технические свой-
ства вышеперечисленных материалов приведены в таблице [1].
Из характеристик, приведенных в сводной таблице, может сложится впечатление, что эти четыре пластика, близки по своим свойствам. Однако это не совсем так.
По данным производителя:
- пластик TITAN GF-12 является конструкционным композитом на основе пластика ABS, армированного рубленным стекловолокном, содержание которого составляет около12 % [1];
- ABS GF-8 композит на основе ABS представляет собой смесь акрилонит-рилбутадиенстирола и полиамида РА6с добавлением 8 % стекловолокна; указанный материал подходит для печати конечных изделий, где требуется высокая
ударопрочность и стойкость к ультрафиолету [1];
- TOTAL GF-30 ударопрочный стек-лонаполненный (30 %) композит на основе полиамида для печати крупных шестерён, прочных корпусов, механически нагруженных деталей, аэродинамических обвесов для автомобилей [1];
- PRO Aerotex - наполненныйуглево-локном твердый и легкий композит (с удельным весом до 0,82 г/см3); предназначен, в первую очередь, для печати элементов несущих конструкций [1].
Как видно из описания, все пластики подходят для печати корпусов и несущих конструкций и обладают нужными свойствами, предъявляемым к корпусным деталям.
Физико-технические свойства термопластиков Physical and technical properties of thermoplastics
Таблица Table
Параметр сравнения TITAN GF-12 ABS GF-8 TOTAL GF-30 PRO Aerotex
Температура 260-290 220-250 230-250 230-250
сопла, °С
Температура 100-110 100-105 60-100 105
стола, °С
Скорость печати, до 100 до 80 до 60 до 90
мм/с
Диаметр сопла, от 0.4 от 0.4 от 0.4 от 0.4
мм
Теплостойкость от -50 до +110 от -50 до +120 от -50 до +130 от -50 до +130
(min/max), °С
Относительное 3 6-12 25 3.6
удлинение при
разрыве, %
Модуль упруго- ~4,5 ~3,1 3 2,4
сти при растяжении, ГПа
Максимальная ~60 55 90 51
прочность при разрыве, МПа
Температура 118 118 130 130
размягчения, °С
Плотность, 1.16 1.12 1.45 0.819
гр/см3
Усадка при изго- 0.2 - 0.3 0.3 - 0.5 0.2 - 0.8 0.5-1
товлении изде-
лий, %
Все выбранные типы пластика могут быть напечатаны минимальным диаметром печатающего сопла 0,4 мм. В основном сопла для 3D принтера изготавливаются либо из латуни, либо из стали в случае, ко-гдапластик абразивен. В проведенных экспериментах применялись сопла из нержавеющей стали, так как все выше выбранные пластики имеют в своем составе стекло- или угленаполнитель, которые абразивны.
Подготовка к печати производилась с использованием слайсера ^т 15.04.02 (рис. 2). Эта программное обеспечение было создано Дэвидом Брэмом. Сига изна-
Файл Инструменты Принтер Подробно Помощь
чально являлось стандартным ПО для всех 3D-принтеров компании Ultimaker, но сегодня её можно использовать и с большинством моделей других производителей [2]. С использованием указанного ПО производилось распределение деталей в рабочем объеме 3D-принтера и расстановка поддерживающих конструкций. Скорость печати и толщина слоя при изготовлении из разных материалов были одинаковыми и составляли 40 мм/с и 0,15 мм соответственно. Температура же сопла при печати была всегда разная в зависимости от рекомендаций по каждому материалу и варьировалась от 230 до 275 °С.
Качество
Высота слоя (мм) 0Л5
Толщина стенки (мм) 0,
Включить откат а
Заполнение
Толщина Низ^Зерх (мм) 0,
Плотность заполнения |Ы
Скорость и температура
Скорость печати (мм/с) 40
Температура печати (С) 220
Температура сопла 2 (С) -
Температура стола (С) Поддержка 100
Тип поддержки Нет V ...
Тип прилипания к столу Нет V ...
Поддержка двух экструдеров Первый экструдер v
Двойная экструзия
Утиральная башня □
Защита от вытекания
Нить
Диаметр (мм) ,75
Диаметр 2 (мм)
Текучесть (%) 100.0
Рис. 2. Пример настройки печати и расположения объектов в виртуальной камере построения Fig. 2. Example ofprinting settings and the location of objects in a virtual camera
Процесс печати показал некоторые особенности каждого из материалов. Нить угленаполненных пластиков AerotexPRO и TITAN GF-12 имела свойство ломаться при разматывании из катушки и подаче прутка в экструдер, что создавало довольно много проблем при печати. Поэтому при выборе таких пластиков к производителю должен предъявляться ряд требований к отсутствию перехлестов в намотке катушки, хранению в вакуумной упаковке и предварительному просушиванию перед использованием. Только тогда можно добиться качественных деталей и относительно быстрой печати. У стеклонаполненных материалов TOTAL GF-30 и ABS GF-8 во
время печати происходил процесс «подтекания» из сопла, что вызывало образование «волосистости» детали, это хорошо видно на рис. 3.
После печати происходил процесс постобработки изделий (рис. 4), заключающийся в удалении поддержек там, где они были необходимы при печати (например, в отверстиях), и в слесарных работах по нарезанию резьб.
Далее была произведена сборка несущей конструкции электронной аппаратуры транспортной системы (рис. 5), входе которой стало понятно, что применение в качестве основного материала корпусных деталей Т^Т,^^ GF-30 невозможно из-за
большого модуля упругости, что приводило к большому прогибу материала даже при незначительных механических воздействиях (ударное ускорение в 5g), что недопустимо для несущей конструкции. Также
плохо себя проявил материал Ле^ехРЯО, так как детали обладали повышенной ломкостью, даже на стадии предварительных испытаний (ударное ускорение 5g).
Рис. 3. Детали после печати из TOTAL GF-30 Fig. 3. Details after printingfrom TOTAL GF-30
а) б)
Рис. 4. Деталь(и): а - с поддержками; б -после постобработки
Fig. 4 Details: а - with support; б -after post-processing
Рис. 5. Корпуса из TITAN GF-12 и ABS GF-8 Fig. 5. Casing from TITAN GF-12 and ABS GF-8
Материалы TITANGF-12 и ABSGF-8 показали себя лучше уже на стадии предварительных испытаний. Прогиб не превышал 1 мм при ударном ускорении в 5 g, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к корпусным деталям транспортных систем.
Далее была произведена окончательная сборка блока радиоаппаратуры транспортной системы с установкой печатных плат и электронных радиоэлементов (ЭРИ) в корпуса изготовленных из материалов TI-TANGF-12 и ABSGF-8 и произведены комплексные испытания. Данные корпуса в составе блоков прошли испытания на стойкость к ударным нагрузкам в 450 м/с2 (45g), стойкость к вибрации в трех взаимно перпендикулярных направлениях с частотой от 5-1500 Гц и амплитудой 10 мм. С начала данные испытания проводились в нормаль-
Заключение
В результате проведенных исследований подтвердилось предположение о возможности существенного снижения трудоемкости изготовлениякорпусных деталей электронной аппаратуры транспортных си-стемблагодаря использованию аддитивных технологий. Трудоёмкость по сравнению с традиционными методами обработкиснижа-ется почти в 2 раза. Кроме того, благодаря послойному методу выращивания готовых
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Официальный сайт компании Filamentarno, 2021, URL: http://filamentarno.ru.
2. Официальный сайт компанииUltimaker, 2021, URL: http://Ultimaker.com
3. ГОСТ Р 51623-2000 - Конструкции базовые несущие радиоэлектронных средств. Система построения и координационные размеры. - М.: Изд-во стандартов, 2000.
4. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. - М.: Машиностроение, 2004. - 512 с.
5. Зленко М.А., Забеднов П.В. Аддитивные технологии в опытном литейном производстве. Технологии литья металлов и пластмасс с использованием синтез-моделей и синтез-форм // Металлургия машиностроения. - 2013 - № 3. - С. 43-48.
6. Гусев Д.В. Повышение показателей качества изготавливаемых изделий при использовании техноло-
REFERENCES
1. Official website of Filamentarno [Internet]. [cited 2021]. Available from: http://filamentarno.ru .
ных условиях, а после при повышенной температуре +55 °С и пониженной температуре - 45 °С, а также при повышенной влажности 90 %. Данные испытания корпуса в составе блоков радиоэлектронной аппаратуры транспортных систем прошли успешно.
Если учитывать усадку, возникающую после остывания в конце печати, можно получить годные по размеру детали.
В дальнейшем целесообразно провести дополнительные исследования по возможности нанесения покрытий на изделия из указанных типов термопластиков, с целью определения степени влияния их гид-рофобности (обусловленной наличием в их составе угле- и стеклопластика) на свойства долговечности конченых изделий.
изделий метод аддитивного производства практически не имеет ограничений в части воспроизведения самых геометрически сложных конструкций.
Эмпирическим методом было доказана возможность применения угле- и стеклона-полненых материалов для изготовления корпусных деталей радиоэлектронной аппаратуры транспортных систем.
гии быстрого протипирования: специальность 05.02.08 «Технология машиностроения»: диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук / Денис Витальевич Гусев; Ульяновский Государственный Технический Университет. - Ульяновск, 2019. - 116 с.
7. Куликов М.Ю., Ларионов М.А., Гусев Д.В. О взаимодействии шероховатости поверхности прото-типированных образцов с условиями их базирования при изготовлении // Ученые записки Комсо-мольского-на-Амуре государственного технического университета. - 2016. - № 1(25). - С. 88-92.
8. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. Трехмерная печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство. - М.: Техносфера, 2016. - 656 с.
2. Official website of Ultimaker [Internet]. [cited 2021]. Available from: http://Ultimaker.com
3. GOST R 51623-2000. Basic bearing structures of radioelectronic devices. System of construction and coordination measures. Moscow: Publishing House of Standards; 2000.
4. Dalsky AM. Technology of structural materials. Moscow: Mashinostroenie; 2004.
5. Zlenko MA, Zabednov PV. Additive technologies in experimental foundry production. Technologies for casting metals and plastics using synthesis models and synthesis forms. Metallurgiya Mashi-nostroeniya. 2013;3:43-48.
6. Gusev DV. Improving the quality indicators of manufactured products when using rapid prototyp-
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Грабченко, А.И. Интегрированные генеративные технологии : учеб. пособие / А. И. Грабченко, Ю.Н. Внуков, В.Л. Добросюк. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2011. - 416 с.
2. Зленко М.А. Аддитивные технологии в машиностроении : учебное пособие / М.А. Зленко,
BIBLIOGRAPHIC LIST
1. Grabchenko AI, Vnukov YuN, Dobrosyuk VL. Integrated generative technologies: textbook. Kharkiv: NTU "KhPI"; 2011.
2. Zlenko MA, Popovich AA, Mutylina IN. Additive technologies in mechanical engineering: textbook.
Информация об авторах:
Гусев Денис Витальевич - кандидат технических наук, старший преподаватель, Российский университет транспорта (РУТ(МИИТ)), тел.: +7(966)-073-47-17.
Gusev Denis Vitalievich - Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer, Russian University of Transport (RUT (MIIT)), phone: +7(966)-073-47-17.
ing [dissertation]. [Ulyanovsk (RF)] Ulyanovsk State Technical University; 2019.
7. Kulikov MYu, Larionov MA, Gusev DV. On the interaction of the roughness of the surface of prototyped samples with the conditions of their basing during manufacture. Scholarly Notes of Komso-molsk-on-Amur State Technical University. 2016;1(25):88-92.
8. Gibson Ya, Rosen D, Stacker B. Additive manufacturing technologies. Three-dimensional printing, rapid prototyping and direct digital production. Moscow: Technosphera; 2016.
А.А. Попович, И.Н. Мутылина. - СПб.: СПбГУ, 2013. - 221 с. 3. Евсеев, Д.Г. Оптимизация процессов механической обработки : учеб. пособие /Д.Г. Евсеев, О.М. Тарасевич. - М.: МИИТ, 2007. - 107 с.
St. Petersburg: St. Petersburg State University; 2013.
3. Evseev DG, Tarasevich OM. Optimization of machining processes: textbook. M.: MIIT; 2007.
Ларионов Максим Александрович - кандидат технических наук, младший научный сотрудник, Институт конструкторско-технологической информатики (ИКТИ РАН), тел.: +7(926)-274-72-16.
Larionov Maksim Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, Junior Research Assistant Institute of Design and Engineering Informatics of the Russian Academy of Sciences, phone: +7(926)-274-72-16.
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. The authors declare no conflicts of interests.
Статья опубликована в режиме Open Access. Article published in Open Access mode.
Статья поступила в редакцию 10.07.2022; одобрена после рецензирования 07.10.2022; принята к публикации 21.11.2022. Рецензент - Пугачев А.А., доктор технических наук, доцент, зав. кафедрой «Промышленная электротехника и электроника» Брянского государственного технического университета, член ред-совета журнала «Транспортное машиностроение».
The article was submitted to the editorial office on 10.07.2022; approved after review on 07.10.2022; accepted for publication on 21.11.2022. The reviewer is Pugachev A.A., Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Industrial Electrical Engineering and Electronics at Bryansk State Technical University, member of the Editorial Board of the journal Transport Engineering.
