CC BY
4
УДК 621.77.07; 691.175
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-680-681
КОНТРОЛЬ ПОРИСТОСТИ ФОРМООБРАЗУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
ИЗ СБС-ПЛАСТИКА
А.С. Вивтоненко, Д.А. Таксимбаева, П.А. Петров, Н.С. Шмакова, И.А. Чмутин
В работе рассмотрено применение аддитивных технологий для изготовления формообразующего инструмента из СБС-пластика. Оценка сплошности (пористости) материала инструмента после его изготовления выполнена на основе оценки диэлектрической проницаемости СБС-пластика методом широкодиапазонной диэлектрической спектроскопии в диапазоне частот от 20 Гц до 5 МГц. Рассматривается несколько режимов 30-печати, основанных на различном сочетании основных и варьируемых параметров настройки 30-принтера. Для всех напечатанных образцов СБС-пластика определено значение диэлектрической проницаемости и выполнен сравнительный анализ. Результаты этого анализа позволили выделить режимы 30-печати, обеспечивающие получение изделия с минимальной пористостью. В завершении статьи приводятся рекомендации о применении значения диэлектрической проницаемости для качественной меры оценки сплошности СБС-пластика, обработанного по экструзионной аддитивной технологии.
Ключевые слова: формообразующий инструмент, термоэластопласт, СБС-пластик, электрические свойства пластика, диэлектрическая проницаемость, пористость, 30-печать, экструзионная аддитивная технология, FDM/FFF аддитивная технология.
С развитием аддитивных технологий, работающих с полимерными материалами, появляется спрос на создание изделий с различными эксплуатационными свойствами. Например, формообразующий инструмент для изготовления малых серий либо штучных изделий из металлических материалов. В аддитивном производстве выделилось направление - быстрое инструментальное производство [1] с применением аддитивных технологий.
Основа данного направления сформирована в традиционных заготовительных производствах до появления аддитивного производства - на рубеже 1979-1980 гг. Так, в обработке листовых металлов давлением профессор Такио Накагава из Токийского университета предложил использовать технологию послойного соединения тонких листовых материалов для изготовления штампов для листовой штамповки и пресс-форм [2-6].
Быстрое инструментальное производство (rapid tooling) направленно на производство инструментов, инструментальных вставок, эталонов (калибров), штампов и пресс-форм [1]. Изготовление инструмента (оснастки) - один из самых дорогостоящих этапов подготовки производства. Компромисс между временем изготовления инструмента, его стоимостью, сроком службы и требуемой программой изготовления штампованных изделий позволяет применить аддитивные технологии и обеспечить экономический эффект.
Такой подход к изготовлению формообразующего инструмента требует обоснованного выбора аддитивной технологии и материала инструмента для обеспечения точности изготовления и требуемой партии штампованных изделий. В случае выполнения формообразующих операций с тонколистовым металлическим материалом, например, алюминиевыми сплавами толщиной до 0,3 мм, в качестве материала формообразующего инструмента может быть термопластичный полимерный материал. Инструмент изготавливается из него экструзионной аддитивной технологией FDM/FFF
[7].
Известно, что для получения качественного изделия, изготовленного по экс-трузионной аддитивной технологии, необходим не только подбор материала и знание его свойств, как до, так и после 3D-печати, с учетом эксплуатационных требований, но также и настройка режима 3D- печати. Режим 3D-печати зависит от значения температуры сопла и рабочей платформы, скорости печати, толщины слоя, наличия или отсутствия поддержек, параметров стиля формирования внутренней структуры изделия [8, 9]. Например, чем больше скорость 3D-печати, тем меньше время изготовления и выше вероятность формирования дефектов печати: недостаточная когезия двух соседних слоев, наличие микропустот (пор) между соседними слоями, коробление элементов изделия.
Наличие микропустот (пор) приводит к изготовлению несплошного изделия и, как следствие, снижению его прочности. Несплошность может быть оценена по изменению электрических свойств полимерного материала изделия -диэлектрической проницаемости. На рис. 1 показаны возможные варианты сечения образца, изготовленного по экструзионной технологии [10]. С точки зрения реологии полимерного материала, температура влияет на его вязкость и, как следствие, при ее повышении может способствовать уменьшению размера пор.
* ♦ * ♦ +
—Ч ^V-Ч s
прямоугольная Щ - искаженная
форма пор ж » ж Д форма пор
прямоугольный стиль заполнения искаженный (skewed) стиль заполнения
Рис. 1. Характерная форма пор при 100-% заполнении сечения в процессе экструзионной технологии 3Б-печати [10]
В качестве гипотезы можно предположить, что при отсутствии пор в полимерном изделии, диэлектрическая проницаемость материала должна соответствовать значению, характерному для этого же материала, обработанного по технологии литья либо прессования (эталонное значение). Уменьшение значения диэлектрической проницаемости относительно эталонного может свидетельствовать о наличии пор, заполненных воздухом.
В данной статье рассматривается стирол-бутадиен-стирольный термоэласто-пласт (SBS, СБС), являющийся известным материалом для полимерной промышленности - занимает около 50% мирового рынка термоэластопластов [11]. Эталонное значение диэлектрической проницаемости СБС-пластика составляет 2,8 [12].
Методика выполнения работы. СБС-пластик, исследуемый в нашей работе, имеет среднюю температуру стеклования 101,96 °С - определено методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) с применением прибора компании «Mettler Toledo». Режим проведения опыта по методу ДСК: нагрев в диапазоне 0 - 300 °С со скоростью 20К/мин в среде N2. Основным качеством СБС-пластика является его высокая влагостойкость. Благодаря этому качеству данный материал крайне полезен для 3D-печати. Принимаем, что исследуемый СБС-пластик в исходном состоянии (до 3D-печати) является сухим.
Диэлектрическая проницаемость СБС-пластика после его обработки по экстру-зионной технологии может быть оценена методом широкодиапазонной диэлектрической спектроскопии с использованием прецизионного измерителя LRC в диапазоне частот от 20 Гц до 5 МГц. Схема установки образца при спектроскопии показана на рис. 2.
Определение диэлектрической проницаемости выполняется на основе измерения емкости плоского конденсатора, между пластинами которого помещается образец исследуемого материала.
Измеритель ЬРС
/_
У/ШШ/Ш " \
Образец
Рис. 2. Схема установки образца при подготовке испытания
Образцы СБС-пластика изготавливаются с применением FFF технологии 3D-печати на 3D-принтере открытой конструкции (без термокамеры). Внешний вид образца показан на рис. 3. Образец имеет размеры: диаметр 20,0 мм, толщина 1,1 мм. Выбраны четыре режима 3D-печати. Под «режим 3D-печати» понимается набор параметров настройки 3D-принтера: температура сопла и рабочего стола, скорость перемещения печатающей головки, параметр flow, тип и параметры заполнения, толщина слоя, ширина линии слоя.
г
а б в г
Рис. 3. Внешний вид образцов для испытания: а — заполнение — толщина стенки; б — заполнение — Concentric; в — заполнение — Lines; г — заполнение — Zigzag
3D-ne4aTb образцов проводилась без поддержек, постобработка образцов включала в себя отделение образцов от подложки и удаление технологических неровностей на верхнем и нижнем торцах, что позволяет уменьшить возможную погрешность измерений в опытах с применением измерителя LRC.
Основные параметры настройки 3D-принтера:
1) температура сопла и рабочего стола - 240° и 80°С;
2) скорость перемещения печатающей головки - 30 мм/с;
3) параметр flow - 100%.
Температура в области сопла измерялась термопарой тип K и составила = 50° С. Варьируемые параметры режима 3D-печати (рис. 4):
1) тип и стиль заполнения (стенка выкладывается стилем concentric для всех образцов):
- за счет толщины стенки (обеспечивается 100% заполнение без параметра Infill) (рис. 3 а и рис. 4, «1.Х»);
- Concentric (100%) (рис. 3, б и рис. 4, «2.Х»);
- Lines (100%) (рис. 3, в и рис. 4, «3.Х»);
- Zigzag (100%) (рис. 3, г и рис. 4, «4.Х»);
2) толщина слоя (при диаметре сопла 0,4 мм) для каждого стиля заполнения -0,1 мм, 0,2 мм, 0,3 мм;
3) ширина линии слоя (при диаметре сопла 0,4 мм) - 0,4 мм, постоянная величина для сопла выбранного диаметра.
С учетом варьируемых параметров для каждого образца введено обозначение «1.Х»-«4.Х» (рис. 4). Первая цифра соответствует типу заполнения (в той же очередности, в которой они перечислены на рис. 3), а вторая - толщине слоя. Так, например, образец с номером 2.3 - напечатан типом заполнения Concentric при толщине слоя 0,3 мм.
При заполнении стилем заполнения толщина стенки (shell) устанавливается равной 1,2 мм и Top/Bottom = 1,2 мм (см. рис. 4, «2.Х», «3.Х», «4.Х»). При заполнении стенкой - толщина стенки Top/Bottom = 12,0 мм (см. рис. 4, «1.Х»).
Рис. 4. Типы образцов для испытания
В табл. 1 представлены измеренные значения диэлектрической проницаемости для выбранных типов заполнения (см. рис. 3 и 4).
Таблица 1
Значения диэлектрической проницаемости СБС-пластика_
Тип образца Тип заполнения Эталонное значение диэлектрической проницаемости Измеренное значение диэлектрической проницаемости (среднее значение)
1.Х заполнение 100% за счет толщины стенки 2,8 2,872
2.Х заполнение 100% - Concentric 2,8 2,803
3.Х заполнение 100% - Lines 2,8 2,263
4.Х заполнение 100% - Zigzag 2,8 2,248
Для заполнения тип 1.Х и 2.Х (см. рис. 4) измеренное значение диэлектрической проницаемости отличается от эталонного значения не более, чем на 2,56% и 0,11% соответственно. Применение типа заполнения Lines либо ZigZag приводит к увеличению относительной погрешности измерения - 19,16% и 19,7%, соответственно. Увеличение погрешности может быть связано с увеличением количества пустот (пор), формируемых при изготовлении образцов тип 3.Х и 4.Х. Характерная форма пор показана на рис. 1.
Толщина слоя вносит свой вклад в значение диэлектрической проницаемости. Для всех исследованных образцов СБС-пластика прослеживается взаимосвязь между диэлектрической проницаемостью и толщиной слоя. Так, на рис. 5 показано изменение диэлектрической проницаемости для образцов, изготовленных с разным типом заполнения.
Одна из возможных причин уменьшения диэлектрической проницаемости: с увеличением толщины слоя, увеличивается количество пор, которые заполняются воздухом при формировании слоя (тип заполнения: Lines и ZigZag). При этом значение диэлектрической проницаемости становится меньше, чем эталонное значение из-за наличия воздуха. Причем, чем больше воздуха, тем больше уменьшение значения диэлектрической проницаемости (см. табл. 1, тип образца 3.Х и 4.Х).
683
£ 3.000 О
ы 2.350
S 2.МО О
С- 2,350
к 2.а;с
5 2,750 Q.
U 2.ТОО Л
Л 2.650
\
\
ч\
\
\
\
—»—тип заполнения 1.Х \
0,1 0,15 0,2 0,25
Толщина слоя, мм
2,450
£ 2,400 О
4J ■и
2,350
2,300 2,250
S 2,200 □
Ш
S 2,150 В. hS 2,100
5
^ 2,050 2,000
\ \ \
\
—■— П1 п заполнения З.Х \
0,1 0,15 0,2 0,25
Толщина слоя, мм
тип заполнения 1.Х и 2.Х тип заполнения 3.Х и 4.Х
Рис. 5. Изменение диэлектрической проницаемости в зависимости от толщины слоя
заготовка в начале процесса формоизменения
осесимметричное изделие
Рис. 6. Пример формообразующего инструмента из СБС-пластика
Выводы и заключение. Проведенное исследование и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.
1. Экструзионная аддитивная технология (в нашем исследовании - FFF) позволяет изготовить образцы из СБС-пластика с максимально сплошной структурой при 100%-м заполнении, обеспечиваемом за счет толщины стенки (см. рис. 3, а) либо за счет применения типа заполнения - Concentric (см. рис. 3, б).
2. При 100%-м заполнении, обеспечиваемом за счет применения типа заполнения Lines или ZigZag сплошность образцов уменьшается - косвенным подтверждением является уменьшение значения диэлектрической проницаемости (см. табл. 1).
3. Толщина слоя, обеспечивающая при экструзионной технологии значение диэлектрической проницаемости, близкое к эталонном значению, составляет 0,1-0,2 мм при диаметре сопла 0,4 мм. Увеличение толщины более 0,2 мм приводит к уменьшению значения диэлектрической проницаемости, что косвенно может указывать на увеличение количества пор в изготовленном образце. Например, с типом заполнения Lines или ZigZag (см. рис. 5).
4. Полученные в данной работе результаты могут быть использованы на этапе проектирования формообразующего инструмента для, например, вытяжки тонколисто-
684
вого металлического материала (рис. 6), изготавливаемого в последующем из СБС-пластика по экструзионной аддитивной технологии.
Список литературы
1. A. Gebhardt, J.-S. Hötter. Rapid Tooling. In: Additive Manufacturing 3D Printing for Prototyping and Manufacturing. München: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2016 -pp. 353-394 https://doi.org/10.3139/9781569905838.
2. T. Nakagawa, K. Suzuki. A low cost blanking tool with bainite steel sheet laminated. // Proceedings of 21 International MTDR Conference, 1980.
3. M. Kunieda, T. Nakagawa. Manufacturing of laminated deep drawing dies by laser beam cutting. // Advanced Technology of Plasticity 1, 1984, pp. 520-525.
4. T. Himmer, T. Nakagawa, N. Mohri: "Rapid Die Manufacturing System", Proceedings of the 7th European Conference on Rapid Prototyping and Manufacturing, 1998.
5. T. Nakagawa. Rapid Prototyping Techniques in Japan. // Proceedings of the 4th European Conference on Rapid Prototyping, Paris, France, October 4-5, 1995.
6. T. Himmer, A. Techel, S. Nowotny, E. Beyer. Recent developments in metal laminated tooling by multiple laser processing. // Rapid Prototyping Journal, 2003, Vol. 9 Issue: 1, pp.24-29.
7. Петров П.А., Бурлаков И.А., Сапрыкин Б.Ю. АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ. В сборнике: Кузнец - всем ремеслам отец. сборник материалов I Международной научно-практической конференции (в рамках Международного кузнечного фестиваля «Секреты средневековых кузнецов»). Москва, 2023. С. 34-44.
8. Рельефная чеканка с применением 3D-напечатанных заготовок // Аддитивные технологии. 2022. № 3. С. 26-29. [электронное издание] URL: https://additiv-tech.ru/publications/relefnaya-chekanka-s-primeneniem-3d-napechatannyh-zagotovok.html (дата обращения: 20.08.2023).
9. Гибка труб с применением 3D-напечатанного инструмента // Аддитивные технологии. 2022. № 4. С. 32-34. [электронное издание] URL: https://additiv-tech.ru/publications/gibka-trub-s-primeneniem-3d-napechatannogo-instrumenta.html (дата обращения: 20.08.2023).
10. L.G. Blok, M.L. Longana, H. Yu, B.K.S. Woods. An investigation into 3D printing of fiber reinforced thermoplastic composites. // Additive Manufacturing, 2018, Volume 22, pp. 176-186.
11. О. Ашпина, И. Салихов. Перерабатываем шины // The Chemical Journal. 2011. № 1-2, С. 58-61.
12. C. Ellingford, R. Zhang, A.M.Wemyss, C.Bowen, T.McNally, L. Figiel, C.Wan. Intrinsic Tuning of Poly(styrene-butadiene-styrene)-Based Self-Healing Dielectric Elastomer Actuators with Enhanced Electromechanical Properties. // ACS Applied Materials & Interfaces. 2018, 10(44), pp. 38438- 38448. doi: 10.1021/acsami.8b13785.
Вивтоненко Анна Сергеевна, студент, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Таксимбаева Дана Ахметовна, студент, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, petrov_p@mail.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Шмакова Наталья Сергеевна, руководитель Технологического центра коллективного пользования, shmakova@technopark-slava.ru, Россия, Москва, АО «Технопарк Слава»,
Чмутин Игорь Анатольевич, заместитель руководителя Технологического центра коллективного пользования, chmutin@,technopark-slava.ru, Россия, Москва, АО «Технопарк Слава»
CONTROL OF THE POROSITY OF THE FORMING TOOL MADE OF SBS PLASTIC A.S. Vivtonenko, D.A. Taksimbayeva, P.A. Petrov, N.S. Shmakova, I.A. Chmutin
The paper considers the use of additive technologies for the manufacture of a shaping tool from SBS plastic. The assessment of the continuity (porosity) of the material of the tool after its manufacture was performed on the basis of the assessment of the dielectric constant of the SBS plastic by the method of wide-range dielectric spectroscopy in the frequency range from 20 Hz to 5 MHz. Several 3D printing modes are considered, based on a different combination of basic and variable 3D printer settings. For all printed samples of SBS plastic, the value of the dielectric constant was determined and a comparative analysis was performed. The results of this analysis made it possible to identify 3D printing modes that provide a product with minimal porosity. At the end of the article, recommendations are given on the use of the value of the dielectric constant as a qualitative measure for assessing the continuity of SBS plastic processed using additive extrusion technology.
Key words: forming tool, thermoplastic polymeric material, SBS-plastic, electric property of plastic, dielectric constant, porosity, 3D-printing, extrusion additive technology, FDM/FFF additive technology.
Vivtonenko Anna Sergeevna, student, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Taksimbaeva Dana Akhmetovna, student, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, pe-trov_p@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Shmakova Наталья Сергеевна, head of the technology center for collective use, shmakova@technopark-slava.ru, Russia, Moscow, JSC «Technopark Slava»,
Chmutin Igor Anatolyevich, deputy head of the technology center for collective use, chmutin@,technopark-slava.ru, Russia, Moscow, JSC «Technopark Slava»
