CC BY
4
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 67.02,620.172
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-5-388-389
КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ FDM-ПЕЧАТИ
А.А. Потапов
Метод FDM (Fused-Deposition Modeling) является одним из наиболее распространенных методов аддитивных технологий. В настоящее время одной из основных проблем, ограничивающих возможности применения этого метода, является отсутствие возможностей и особенностей FDM-печати при разработке конструкций изделий и технологии их изготовления. Разработка и совершенствование конструкторско-технологического обеспечения FDM-печати изделий сложной формы, включающие является актуальной научно-технической задачей, позволяющей не только решить назревшие проблемы, но и расширить область применения FDM-печати. В работе разработана усовершенствованная методика конструкторско-технологического обеспечения FDM-печати, направленная на повышение эффективности изготовления изделий.
Ключевые слова: Конструкторско-технологическое обеспечение, 3D печать, FDM - печать, АБС - пластик, термическая постобработка, предел прочности при растяжении.
Введение. В настоящее время интенсивно развиваются аддитивные технологии, позволяющие получать изделия сложной формы без использования дорогостоящей оснастки и специального инструмента. Применение аддитивных технологий, в том числе FMD-печати, существенно расширяет возможности конструкторов и технологов, однако существующее конструкторско-технологическое обеспечение производства, ориентированное в основном на традиционные технологии механической обработки, не позволяет в полной мере реализовывать возможности аддитивных технологий. В последнее время большое внимание уделяется исследованиям топологической оптимизации изделий, изготовленных методом FDM-печати [1, 2], с целью уменьшения массы детали без существенной потери прочности и жесткости.
В работе [3] авторы проанализировали и показали оптимизированные конструкции заполнения, которые могут обеспечить требуемые характеристики с использованием меньшего количества материала, чем традиционные конструкции.
Также авторы провели исследования оптимизации конструкции с целью проектирования пористых структур, в которых применяют внутренние заполнения с полным учетом внешней нагрузки. Создаваемые пористые структуры схожи не только внутренними порами, но и функциональными свойствами.
Из литературы следует, что при проектировании легких деталей цель состоит в том, чтобы минимизировать объем или количество используемого материала без ущерба для требуемой механической прочности. Для уменьшения массы изделия, предназначенного для изготовления с использованием FDM-печати, можно использовать множество стратегий печати, поскольку они предоставляют возможность проектировать сложную геометрию [4, 5].
Рис. 1. Проектирование легких конструкций, изготавливаемых с помощью ГБМ-печати: а - различные степени заполнения; б - схемы заполнения конструкции; в - изготовленное изделие [3]
Рис. 2. Оптимизация заполнения конструкции с учетом направлений главных напряжений
и 3D-печатная модель кости [3]
При оптимизации улучшается исходная конструкция детали за счет уменьшения объема материала в ее слабонагруженных местах без заметной потери прочности и жесткости. Результатом оптимизации является более сложная форма детали, что резко снижает ее технологичность для традиционных методов формообразования. Часто сложность геометрической формы детали заключается в том, что ее трудно или невозможно изготовить традиционными технологическими методами. В этом случае единственным выходом является применение 3Б-печати, у которой ограничения на форму детали существенно меньше [6 - 8].
Среди известных на сегодняшний день методов 3D-печати метод FDM (Fused-Deposition Modeling) является одним из самых распространенных благодаря способности легко адаптироваться под любые задачи и максимально быстро запускать изделия сложной геометрии в производство при минимальных затратах. Параметры FDM-печати оказывают значительные влияние на физико-механические свойства и качество напечатанных изделий, а также на время печати [9]. Характеристики готового изделия зависят от подбора технологических параметров.
Рис. 3. Зависимость механических свойств от параметров печати [9]
Согласно литературе, наиболее широко исследовано влияние на физико-механические характеристики образцов таких параметров, как диаметр сопла и толщина слоя, ориентация и угол наклона растра, плотность заполнения, температура экструзии [10-13].
С точки зрения проектирования исходной модели, затрат на материалы, легкости внесения изменений в геометрию изделия и отсутствия необходимости в проектировании и изготовлении специализированной оснастки (литьевых форм) метод FDM-печати обладает неоспоримыми преимуществами перед литьем под давлением. Особенно этот вопрос актуален для мелкосерийного и единичного производства. В многочисленных исследованиях отмечается, что изделиям из термопластичных полимеров и композитов, напечатанным методом FDM, присущи недостатки, которые непосредственно влияют на механические характеристики и внешний вид готового изделия. Поэтому в настоящее время проводятся исследования применимости различных методов дополнительной обработки изделий, направленных на минимизацию дефектов, возникающих при FDM-печати [14,15].
В настоящее время одной из проблем является недостаточная разработанность конструкторско-технологи-ческое обеспечение FDM-печати. Именно поэтому разработка и совершенствование конструкторско-технологиче-ского обеспечения FDM-печати изделий сложной формы, включающие: разработку и оптимизацию конструкций, выбор высокоэффективных материалов, определение технологических схем, режимов печати и последующей дополнительной обработки является актуальной научно-технической задачей, позволяющей не только решить назревшие проблемы, но и расширить область применения FDM-печати.
Целью работы является повышение эффективности изготовления изделий сложной формы за счет разработки конструкторско-технологического обеспечения FDM-печати.
Конструкторско-технологическое обеспечение FDM-печати. В последние годы интенсивно развиваются технологии FDM-печати, которые позволяют существенно сократить сроки конструкторско-технологической подготовки производства, не требуют дорогостоящей технологической оснастки, позволяют получать изделия сложной формы всего за несколько операций при существенном сокращении количества сборочных операций, использовать современные полимерные и композиционные материалы и т.д. На рис. 4 представлена разработанная схема кон-структорско-технологического обеспечения FDM-печати, которая позволит в полной мере реализовать оптимизацию и при этом обеспечить рентабельность производства изделий сложной формы, соответствующих техническим требованиям.
Рис. 4. Схема конструкторско-технологического обеспечения FDM-печати
Данная оптимизация в свою очередь позволит значительно снизить вес изделия без потери прочности и жесткости, а также сократить время изготовления, и снизить коэффициент используемого материла. При оптимизации изделия с применением FDM-печати решающее влияние на механические свойства и технологичность оказывает выбор материала. На рис. 5 представлены группы пластиков для печати методом FDM. В табл. 1 представлены физико-механические характеристики пластиков, используемых для FDM-печати.
Рис. 5. Группы пластиков для FDM-печати [16]
В настоящее время основными термопластами, используемыми при FDM-печати вследствие низкой температуры плавления, являются АБС, ПЛА и ПА. Именно поэтому в качестве термопластичного материала в работе рассматривается один из этих материалов - АБС-пластик.
В работе была применена разработанная методика конструкторско-технологического обеспечения ЕБМ-печати на примере изготовления рабочего колеса вентилятора.
Технические требования к изделию. В работе в качестве изделия сложной формы рассматривается «Рабочее колесо вентилятора» технические требования представлены в табл. 2. Трехмерная модель рабочего колеса вентилятора представлена на рис. 6.
Основные материалы, применимые для ¡РМ-печати
Таблица 1
Материал Предел текучести, МПа Температура эксплуатации, °С Температура печати, °С Устойчивость к действию органических растворителей Ориентировочная цена
Пластики общего назначения
ПЛА 46-49 60 190-230 Низкая Низкая
АБС 42-55 88 210-250 Низкая
ПЕТГ 28-58 65 230-250 Низкая
ХИПС 26-28 74 230-245 Низкая
ПП 34-36 80 220-250 Высокая
Инженерные пластики
ПА 50-66 120 230-270 Средняя Средняя
ПК 58-70 15 260-310 Средняя
ПОМ 55-62 110 210-230 Средняя
ПВДФ 46-54 110 245-265 Средняя
Высокоэффективные пластики
ПЕЕК 65-98 160 375-410 Высокая Высокая
ПЭИ 84-88 152 350-380 Высокая
ПФСУ 60-75 190 370-390 Высокая
ПФС 62-74 195 360-390 Высокая
Технические требования на изделие
Таблица 2
Размеры, 0 мм 355
Материал ПМ
Скорость вращения, об/мин 3000
Температура, °С -40 до +50
Рис. 6. Трехмерная модель рабочего колеса
(1)
Конструкторское обеспечение ¡РМ-печати. Была рассмотрена задача по расчету и определению характера распределения механических напряжений и деформаций в изделии «Рабочее колесо вентилятора» с точки зрения подбора материала для печати. Данная задача относится к классической задаче теории упругости, ее решение было получено с использованием модульной среды численного моделирования Comsol Multiphisics.
Структурный анализ - наиболее распространенное применение метода конечных элементов, которое позволяет исследовать различные типы нагрузок, включая напряжение, деформацию, излом и так далее. Линейные структурные статические уравнения выглядят следующим образом:
дах дтХу дтхг
--+ И.--+ --+ *Ьх = О,
дх ду дг ил
дтух д&у дту2 о
дх ду дг '
Цт + ^ + д-г- + ^ = 0,
дх ду дг ил
где а представляет собой нормальное напряжение, т - напряжение сдвига, Fbx, Гъу и Fbz - силы тела на единицу объема, действующие в направлениях х, у и z соответственно.
Центробежная сила определяется следующим образом:
^ = ргш2, (2)
где Fc - центробежная сила, ю - скорость вращения, г и р показывают радиус и плотность материала, соответственно.
Далее задавались начальные и граничные условия. Вращение колеса происходит в стационарных условиях. На заднем диске задавались условия упорного подшипника для ограничения осевого перемещения колеса. Поверхность переднего диска выбрана в качестве плоскости для отсчета поворота колеса. Скорость вращения колеса составляла 3000 об/мин.
Расчет проводился для двух материалов:
- алюминиевый сплав;
- АБС пластик.
В работе рассматривались три варианта конструкции рабочего колеса вентилятора. Изготавливать рабочее колесо вентилятора цельным является не целесообразным из-за большего количества поддержек. В результате чего большое количество материала уйдет на поддержки. В связи с этим исходная модель колеса была разделена на две
части с плоскостью разъема посреди лопаток и параллельно плоскости дисков. В область разъема было добавлено крепление «шип-паз». В другом варианте конструкции исходная модель колеса была разделена на девять частей.
Таблица 3
Механические характеристики материалов__
Наименование показателей Алюминиевый сплав АБС пластик
Модуль упругости при растяжении, ГПа 70 2
Прочность на растяжение, МПа 100 35
Предел текучести при растяжении, МПа 80 40
Коэффициент Пуассона 0,33 0,39
Плотность, кг/м3 2700 1020
а б в
Рис. 7. Варианты конструкции рабочего колеса: а - цельное колеса; б - колесо из двух частей;
в - колесо из восьми частей
Рис. 8. Результаты численного моделирования распределения напряжений, МПа и распределение деформаций,
мм: а - алюминиевый сплав; б - АБС пластик
Максимальное напряжение в конструкции не должно превышать допускаемого напряжения для данного материала, определенного с учетом коэффициента запаса для заданных условий работы. Из ГОСТ Р 52857.1 -2007 принимаем коэффициент запаса прочности по пределу текучести для колеса 1.5. Т.е. допускаемые напряжения для алюминиевого сплава - 53 МПа, для АБС пластика - 26 МПа.
I
35
20
0 6
Рис. 9. Результаты численного моделирования разъемной модели: а - распределение механических напряжений в области лопатки колеса; б - распределение деформаций, мм
Максимальная концентрация напряжений находится на крепежном элементе «шип» и составила 32 МПа, максимальные деформации составили 1.2 мм. Таким образом, АБС пластик является не подходящим материалом для данной конструкции, так как напряжение превышает допускаемое (32 МПа > 26 МПа).
392
Таблица 4
Результаты численного моделирования рабочего колеса
Наименование показателей Алюминиевый сплав АБС
Максимальные напряжения, МПа 18 12
Максимальные деформации, мм 0,03 0,55
Таким образом, для алюминиевого сплава полученное значение максимального напряжения в 2,9 раз меньше допускаемого, для АБС пластика - в 2,6 раз.
Технологическое обеспечение ЕБМ-печати. В работе проведено исследование влияние режимов печати на свойства образцов. Ниже приведены результаты исследований влияния параметров печати на прочностные свойства образцов, зависимости предела прочности на растяжение от угла наклона растра (рис. 10).
и 1=
30 28 26
а: т
0) ?4 *
к а.
я 22
20
Толщина слоя, мм
45
90
Угол наклона растра,0
Рис. 10. Зависимость предела прочности от угла наклона растра образцов
после ГБМ-печати
Анализ результатов показывает, что при увеличении угла наклона растра с 0 до 90° наблюдается уменьшение прочностных свойств образцов для всех значений толщины слоя. Так, для образцов, полученных при угле наклона 0°, предел прочности на растяжение составил 28.6 и 29.42 МПа для толщины слоя 0.1 и 0.2 мм соответственно. Для образцов с углом наклона растра 45° наблюдаются средние значения предела прочности (22.69 и 25.06 МПа), тогда как для образцов с углом наклона 90° значения минимальны (21.25 и 20.92 МПа).
В работе проведены исследование влияния термической постобработки в вакуумном пакете на механические свойства образцов (рис. 11).
Из анализа кривых, представленных на рис. 22, следует, что постобработка в вакуумном пакете с вакуумным насосом позволяет увеличить прочность на растяжение образцов, напечатанных с углом наклона растра 0°, на 20%. Для образцов, напечатанных с углом наклона растра 90°, прочность на растяжение увеличивается на 65%.
На основании проведенных исследований оптимизирована конструкция рабочего колеса вентилятора и подобраны режимы для ЕБМ-печати. Оптимизация конструкции заключалась в определении параметра внутреннего заполнения, так как в работе процесс печати анизотропный. В результате чего было изготовлено рабочее колесо вентилятора методом FDM-печати из АБС пластика.
Перемещение, мм Рис. 11. Результаты1 испытаний прочности на растяжение для образцов после FDM-печати после термической постобработки в вакуумном пакете
393
Таблица 5
Основные параметры рабочего колеса вентилятора_
Параметры АБС
Температура печати, оС 235
Температура камеры, оС 105
Высота слоя, мм 0,2
Скорость печати, мм/с 40
Количество слоев стенки 2
Количество слоев крышки 3
Количество слоев дна 3
Заполнение, % 60
Рис. 12. 3D-принтер Total Z AnyForm 500 PRO
а б
Рис. 13. Рабочее колесо вентилятора, изготовленое РМ-печатью: а - отдельные части; б - рабочее колесо вентялтора в сборе
Оценка прочностных параметров изделия «рабочее колесо вентилятора» экспериментальным методом проводилась на специализированном стенде (рис.14). Результаты испытаний приведены в табл. 6.
Таблица 6
Количество оборотов, которые выдержали макеты рабочего колеса_
Материал об/мин
1172 1484 1792 2096 2400 2706 3006 3300
АБС пластик + + + + + + + +
Рис. 14. Испытание рабочего колеса вентилятора на специализированном стенде
394
Рабочее колесо вентилятора было нагружено согласно программе испытаний. Под требуемой нагрузкой подразумевается 3006 - 3300 об/мин в течение 24 часов.
По результатам проведенных экспериментальных исследований было изготовлено рабочее колесо вентилятора из термопластичного полимерного материала методом ЕБМ-печати, имеющее в два раза меньшую массу в сравнению с алюминиевым колесом.
Конструктореко-твхнапошчвское обеспечение FDM-печети
Усове
Доступность |
Цена |
Теоретическое моделирование для поиски огттшальной конструкции
Исследование механических и реологических характеристик
^Выбор параметров FDM-печати
£
Исследование влияния параметров печати на физико-механические характеристики
l! k(......
о -0
Постобработка
-30%
О Используемый материал О Бремя печати
Рис. 15. Сравнительная схема конструкторско-технологического обеспечения FDM-печапш на примере рабочего колеса вентилятора
Разработанная методика конструкторско-технологического обеспечения FDM-печати (рис. 15) позволяет значительно снизить массу изделия без потери прочности и жесткости, а также сократить время изготовления и увеличить коэффициент использования материла.
Заключения. В результате проведенной работы была разработана методика конструкторско-технологиче-ского обеспечения FDM-печати, направленная на повышение эффективности изготовления изделий сложной формы.
Исследование выполнено при финансовой поддержке комитета Тульской области по науке и инноватике в рамках соглашения № 10 от 07.09.2022.
Список литературы
1. Антипов Д.В. и др. Конструкторско-технологические решения аддитивного производства корпусных деталей МКА НК // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2023. Т. 25. №. 4 (114). С. 104109.
2. Марканов И.Д. и др. Определение оптимального режима FDM-печати композитами для получения требуемых конструкторско-технологических параметров // Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение», 2024. Т. 8. №. 1. С. 78-85.
3. Feng J. et al. A review of the design methods of complex topology structures for 3D printing // Visual computing for industry, biomedicine, and art., 2018. Т. 1. С. 1-16.
4. Zhang Y. et al. Evaluating the design for additive manufacturing: a process planning perspective // Procedia Cirp. 2014. Т. 21. С. 144-150.
5. Feng J. et al. A review of the design methods of complex topology structures for 3D printing // Visual computing for industry, biomedicine, and art. 2018. Т. 1. С. 1-16.
6. Orme M. et al. Topology optimization for additive manufacturing as an enabler for light weight flight hardware // Designs. 2018. Т. 2. №. 4. С. 51.
7. Suresh K. Efficient microstructural design for additive manufacturing // International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2014. Т. 46285. С. V01AT02A045.
8. Lei H. Y. et al. Parametric design of Voronoi-based lattice porous structures // Materials & Design. 2020. Т. 191.
С. 108607.
9. Ahn S.H. et al. Anisotropic material properties of fused deposition modeling ABS // Rapid prototyping journal. 2002. Т. 8. №. 4. С. 248-257.
10. Мартьянова А.В., Миронов Е.Б., Низин Д.Р., Низина Т.А. Влияние технологических режимов на упруго-прочностные характеристики FDM-печатных образцов // Огарев-online. 2022. №3.
11. Ahn S. Anisotropic material properties of fused deposition modeling ABS / Ahn S., Montero M., Odell D., Roundy S., Wright P.K. // Rapid Prototyping Journal. 2002. V.8. №.4. P. 248-257.
395
12. Samykano M. Mechanical property of FDM printed ABS: influence of printing parameters / M. Samykano, S. K. Selvamani, K. Kadirgama, W. K. Ngui, G. Kanagaraj, K. Sudhakar // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. V. 102. P. 2779-2796.
13. Chin Ang, K. Investigation of the mechanical properties and porosity relationships in fused deposition modelling-fabricated porous structures / K. Chin Ang, K. Fai Leong, C. Kai Chua, M. Chandrasekaran // Rapid Prototyping Journal. 2006. V. 12. №. 2. P. 100-105.
14. Ariadna Chueca de Bruijn, Giovanni Gómez-Gras *, Laura Fernández-Ruano, Laia Farras-Tasias, Marco A. Pérez. de Bruijn A. C. et al. Optimization of a combined thermal annealing and isostatic pressing process for mechanical and surface enhancement of Ultem FDM parts using Doehlert experimental designs //Journal of Manufacturing Processes. 2023. Т. 85. С. 1096-1115.
15. Vorkapic M. et al. Enhancing mechanical properties of 3D printed thermoplastic polymers by annealing in moulds // Advances in Mechanical Engineering. 2022. Т. 14. №. 8. С. 16878132221120737.
16. Гордеев Е. Г., Анаников В. П. Общедоступные технологии 3D-ne4ara в химии, биохимии и фармацевтике: приложения, материалы, перспективы // Успехи химии. 2020. Т. 89. №. 12. С. 1507-1561.
Потапов Андрей Алексеевич, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет
DESIGN AND TECHNOLOGICAL SUPPORT FOR FDM PRINTING A.A. Potapov
The FDM (Fused-Deposition Modeling) method is one of the most common methods of additive technologies. Currently. one of the main problems limiting the possibilities of using this method is the lack of capabilities and features of FDM printing in the development ofproduct designs and manufacturing technology. The development and improvement of design and technological supportfor FDM printing ofproducts of complex shape. including is an urgent scientific and technical task that allows not only to solve urgent problems. but also to expand the scope of application of FDM printing. The work has developed an improved method of design and technological support for FDM printing. aimed at improving the efficiency of manufacturing products.
Key words: design and technological support. 3D printing. FDM printing. ABS plastic. thermal post-treatment. tensile strength.
Potapov Andrey Alekseevich. postgraduate. junior researcher laboratory. potapov-kristall@mail. ru. Russia. Tula. Tula State University
УДК 681.5
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-5-396-397
СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ДОННОЙ АРМАТУРЕ СЛИВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЦИСТЕРН
С.Л. Горобченко, Д.А. Ковалёв, А.В. Теппоев, В.Н. Беженарь, В.А. Соколова
В статье рассматриваются подходы к разработке и эксплуатации донной арматуры слива железнодорожных цистерн. Показано, что импульсом для разработки современных требований к донной арматуре слива железнодорожных цистерн является безопасность и экологичность. На примере донной арматуры слива компании ЛтезЬигу проведена оценка технической реализации арматуры на соответствие современным требованиям к этой арматуре. Показан алгоритм выбора донной арматуры и приведен пример ее выбора.
Ключевые слова: железнодорожные цистерны, слив, донная арматура, современные требования, техническая реализация, конструкции донной арматуры, выбор донной арматуры.
В конце прошлого года в сети РЖД находилось 264,5 тыс. единиц нефтебензиновых цистерн при рабочем парке 236,8 тыс., что на 3,8% и 3,3% больше, чем по итогам предыдущего года. Такого количества нефтебензиновых цистерн не фиксировали последние пять лет [1]. Приблизительно такие же цифры у парка цистерн для перевозки СПГ. Хотя сегодня наблюдается профицит цистерн до 15.000 ед., но оборачиваемость цистерн также большая. Так, прогнозируется, что к 2027 году он уменьшится до 12.000 цистерн, если сейчас цистерн для СПГ 2,4 тыс., то через несколько лет останется чуть более 900. Тоже самое будет наблюдаться и с бочками для химических грузов (с 14,5 тыс. снизится до 13,3 тыс.) и пищевых цистерн (с 2,7 тыс. снизится до 2,3 тыс.). Производство вагонов-цистерн падало с 2020 по 2022 год (по данным Росстата, с 6,4 до 5,3 тыс. ед.).
Некоторое смягчение дает такой фактор как парк, который движется по замкнутым маршрутам. Это смягчает требования к помывке цистерн вагонов, упрощает и регуляризирует обслуживание и диагностику, создает условия для большего пробега и срока жизни арматуры. Многое также зависит от напряженности и сложности направления и логистики, включая северные регионы, во многом определяющие требования к арматуре.
Отдельный вклад в увеличение требований к скорости налива и слива нефтепродуктов и пр. с целью уменьшения простоев вносит введённая РЖД в марте 2023 года динамическая модель загрузки инфраструктуры (ДМЗИ). Возможный дефицит подвижного состава может ограничить возможности погрузки и экспорта нефтепродуктов, что приведет к росту арендной ставки за цистерны. Негативное влияние оказывает перераспределение нефти с трубопроводов на ЖД- транспорт, но создает хорошие перспективы для роста выпуска цистерн и, соответственно, для роста установок донной арматуры.
