CC BY
20
УДК 620.17 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-2-649-655
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КИНЕТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ
НА ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Э.Г. Синельников, В.А. Давидчук, Т.Ю. Девяткина
В работе изложена методика проведения испытаний на удар полимеров, используемых в аддитивном производстве. Описана технология изготовления образцов для испытаний. Приведены результаты экспериментальных исследований полимеров PET-G, ABS и PLA, изготовленных FDM методом. Предложена конструкция газодинамической импульсной пневматической метательной установки, используемой при проведении экспериментальных исследований кинетического воздействия малоразмерных твердых частиц на элементы космических аппаратов. Определена зависимость скорости сквозного пробития от толщины мишени и ударника.
Ключевые слова: малоразмерная твердая частица, космический аппарат, баллистический предел прочности, SD-печать.
Аддитивные технологии с каждым днем все больше внедряются в военно-промышленную отрасль. Аддитивное производство или SD-печать - это метод изготовления изделий на основе модели автоматизированного проектирования путем послойного сплавления материала [1,2]. Преимущество данной технологии состоит в возможности изготовления изделий со сложной геометрией максимально автономно и с высокой точностью. В аэрокосмической области технология 3D печати позволяет изготовлять легкие и прочные компоненты в основном из таких материалов, как металлы, полимеры и композиты. Наиболее распространенным является метод послойного нанесения полимерной нити Fused-Deposition Modeling (FDM) [3]. FDM - широко используемая технология SD-печати, в которой изделие строится слой за слоем путем экструзии термопластичного полимера через сопло на платформу. Полимерные изделия, изготовленные FDM методом, также, как и изделия, изготовленные формованием, механической обработкой и штамповкой, необходимо подвергать испытаниям и контролировать качество готовых изделий.
В связи с увеличением интенсивности освоения околоземного пространства различными государствами происходит увеличение количества техногенных объектов, находящихся на востребованных орбитах. Эти объекты, являющиеся как крупными фрагментами ракетно-космической техники, так и малоразмерными твердыми частицами (МТЧ), возникающими при разрушении космических аппаратов (КА) и столкновении крупных фрагментов, представляют опасность для функционирования других КА.
Следует отметить, что значительную опасность для КА представляют МТЧ, размером менее 10 мм [4]. Исследования показывают, что часть столкновений элементов КА и МТЧ происходит при небольших относительных скоростях соударения, не превышающих значения 500 м/с [5]. Кроме того, в этом диапазоне находятся значения скоростей имитаторов МТЧ при исследовании воздействия частиц, образующих запре-градное осколочное поле, формирующееся в результате столкновения МТЧ с защитными экранами КА, на элементы КА.
Поэтому для проведения экспериментального моделирования воздействий МТЧ на конструкции КА и различные виды материалов в диапазоне скоростей 80... 500 м/с в ВКА им. А. Ф.Можайского была разработана экспериментальная газодинамическая импульсная пневматическая метательная установка (далее - ГИПМУ).
ГИПМУ предназначена для исследования процессов скоростных ударных взаимодействий МТЧ с мишенью, устанавливаемой в приемной камере ГИПМУ. На ГИПМУ может быть проведена экспериментальная оценка стойкости элемента кон-
649
струкции исследуемого объекта или его защиты к ударному воздействию МТЧ массой от 0,02 до 20 г со скоростью соударения от 80 до 500 м/с.
Основные технические характеристики стенда:
масса ГИПМУ в сборе - 250... 300 кг;
длина ГИПМУ - 4000 мм;
калибр ствола - 1,5. 14,3 мм;
длина ствола - 300. 1200 мм;
масса МТЧ - 0,02.20 г;
скорость МТЧ - 80. 500 м/с;
длина баллистического тракта - 1500 мм;
внутренний диаметр баллистической трассы - 300 мм;
Принципиальная компоновочная схема ГИПМУ представлена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная компоновочная схема ГИПМУ: 1 — баллон со сжатым
воздухом (150 атм); 2 — рама; 3 — воздушный редуктор; 4 — манометр; 5 — воздушный электромагнитный клапан; 6 — ствол; 7 — хронограф; 8 — кассета с мишенью; 9 — защитный кожух; 10 - приемная камера с мягким наполнителем
ГИПМУ работает в режиме легкогазовой метательной установки (рабочий газ -воздух). Выстрел осуществляется следующим образом. Со стороны дульного среза канала ствола 6 при помощи шомпола производится досыл метаемого тела в казенную часть ствола до упора в фиксатор положения метаемого тела. Открывается вентиль на расходном баллоне. Нагрузочным клапаном на редукторе 3 создается необходимое давление в пневматической части системы. Перекрывается вентиль на расходном баллоне. При помощи специального коммутационного устройства открывается воздушный электромагнитный клапан 5. Газ, устремляясь в баллистический ствол, разгоняет метаемое тело. Мишень закрепляется в специальной кассете 8. Среднее время подготовки к проведению эксперимента не превышает 3 минут.
Измерение скорости осуществляется с помощью оптического рамочного хронографа АСС 0022 «Стрелец», относительная погрешность измерения скорости которого - 0,5%, диапазон измеряемых скоростей от 15 м/с до 3000 м/с.
При скоростном взаимодействии МТЧ с мишенью происходит «пробитие» или «непробитие». В случае пробития, продолжающие движение осколки мишени и МТЧ, улавливаются приемной камерой 10 с помощью мягкого наполнителя. В качестве значения баллистического предела принята величина максимальной скорости воздействия, при которой ударник имеет 50 % вероятности полностью пробить мишень. За баллистический предел принимается среднее значение скоростей, при которых «пробитие» или «непробитие» является равновероятным. Для этого проводится серия баллистических испытаний с изменением скорости МТЧ по схеме «вверх-вниз», т.е. с уменьшением скорости МТЧ в следующем опыте после получения пробития мишени или с увеличением скорости МТЧ после ее непробития.
В процессе испытаний определяются:
Vmax непр - максимальная скорость непробития;
Vmin проб - минимальная скорость пробития.
Эта методика подразумевает наличие как минимум пяти выстрелов, из которых два дают частичное пробитие и два - полное пробитие. [6]. Но так как мы имеем дело с изделиями, изготовленными FDM методом, для получения достоверных результатов, необходимо подвергнуть испытаниям не менее десяти образцов, так как при печати изделия, достичь одинаковых характеристик крайне сложно, из-за множества факторов, влияющих на качество готовой продукции (температура и скорость печати, диаметр сопла, высота слоя, толщина нити, межрастровый зазор, угол укладки нитей, плотность заполнения и др.).
Сквозное пробитие происходит по одной из четырех схем [6]: пролом - схема разрушения мишени, при которой образуется сквозная трещина, либо совокупность сквозных радиальных трещин, образующих сквозное отверстие;
отрыв откола - схема разрушения в результате воздействия ударника, при которой происходит отрыв части материала мишени с ее тыльной стороны, до образования сквозного отверстия (вследствие воздействия сформировавшихся ударных волн, распространяющихся в материале мишенной обстановки при отражении их от тыльной и лицевой поверхностей);
срез пробки - схема разрушения, при которой часть материала мишенной обстановки выдавливается ударником с тыльной стороны со смещением слоев, с образованием кольцевой трещины;
прокол - схема разрушения, при которой происходит образование сквозного отверстия в мишени только за счет кинетической энергии ударника.
Результаты применения методики. В качестве имитации МТЧ использовались ударники (стальные шарики) с диаметрами (d) 1.5, 2, 2.5 и 3 мм, со следующими механическими характеристиками: модуль Юнга (Ei) - 200 ГПа, коэффициент Пуассона (и)- 0.33, плотность (р) - 7,97-103 кг/м3.
В качестве мишени для проведения испытаний использовались квадратные пластины, изготовленные FDM методом, со стороной 150 мм и толщинами (h) 1, 2 и 3 мм из наиболее распространенных полимеров (ABS, PLA, PET-G) рис. 2.
ABS PLA PET-G
Рис. 2. Мишени для проведения испытаний
Образцы для испытаний печатались на принтере Sapphire S от TWO TREES, кинематика Core XY, область печати 200*200*200 мм.
Параметры печати:
термопласт PET-G: температура 230°С, скорость печати 45мм/с, диаметр сопла экструдера 0.3 мм, слой 0.15 мм, заполнение 100%;
термопласт ABS: температура 240°С, скорость печати 45мм/с, диаметр сопла экструдера 0.3 мм, слой 0.15 мм, заполнение 100%;
термопласт PLA: температура 190°С, скорость печати 45мм/с, диаметр сопла экструдера 0.3 мм, слой 0.15 мм, заполнение 100%.
Кондиционирование образцов проводилось в соответствии с [5]. Образцы высушивались при температуре + 50°С. Выдерживались в эксикаторе 3 ч для охлаждения
до температуры испытания. Так как образцы были выполнены с помощью печати на принтере, кондиционирование не соответствовало настоящему стандарту, но было рекомендовано, как альтернативное для особых случаев.
Результаты испытаний полимеров представлены в таблице.
Результаты испытаний полимеров
Диаметр сферического ударника (d), мм Толщина пластины (h), мм
1 2 3
ABS
1.5 205 307 435
2 161 289 343
2.5 136 240 284
3 115 206 291
PLA
1.5 177 268 378
2 135 246 295
2.5 115 207 245
3 98 176 247
PET-G
1.5 197 319 442
2 153 275 349
2.5 130 234 291
3 111 196 274
Все три полимера при испытании на удар проявляли схожее поведение. В пластинах толщиной 1 мм наблюдалось локальное смятие от внедрения стального шарика, пролом и отрыв откола (рис. 3).
ABS, D= 3 мм PET-G, D = 2 мм PLA, D = 3 мм Рис. 3. Пролом и отрыв откола при испытании пластин
толщиной 1 мм
Кривые баллистических пределов прочности для материалов ABS, PLA и PET-G представлены на рис. 4.
а б в
Рис. 4. Баллистический предел прочности для пластин ABS, PLA, PET-G: а - толщиной 1 мм; б - толщиной 2 мм; в - толщиной 3 мм
На рис. 4, а видно, что с увеличением диаметра ударника линейно уменьшается скорость пробития, с незначительным перегибом при диаметре ударника 2 мм. ABS и PET-G обладают наилучшими характеристиками из испытуемых.
652
С увеличением толщины пластины до 2 мм, схема разрушения меняется - появляется срез пробки (рис. 5)
ABS, D= 3 мм PET-G, D = 2 мм PLA, D = 1.5 мм
Рис. 5. Срез пробки при испытании пластин толщиной 2 мм
При испытаниях пластин толщиной 2 мм (рис. 4, б) видно, что с увеличением диаметра ударника линейно уменьшается скорость пробития для PET-G и с незначительным перегибом при диаметре ударника 2 мм для ABS и PLA.
При увеличении толщины пластины до 3 мм, схема разрушения имеет следующий вид (рис. 6).
ABS, D= 1.5 мм PET-G, D = 2.5 мм PLA, D = 1.5 мм
Рис. 6. Срез пробки и отрыв тыльной стенки при испытании пластин
толщиной 3 мм
В данном случае, на начальном этапе внедрения ударника наблюдается локальное смятие в зоне контакта, срез пробки, пролом и отрыв тыльной стенки (рис. 7).
а б в г
Рис. 7. Испытание пластины ABS толщиной 3 мм и ударником 2.5 мм: а — локальное смятие; б — срез пробки; в — пролом тыльной стенки;
г - отрыв тыльной стенки
При испытаниях пластин толщиной 3 мм (рис. 4, в) видно, что для ударников 2.5 мм и 3 мм скорость сквозного пробития находится практически на одном уровне. Это связано с тем, что диаметр площадки смятия и образования пробки прямо пропорционально зависят от диаметра ударника, и соответственно, чем меньше диаметр пробки, тем меньше диаметр откола тыльной стенки.
Различное поведение полимеров при испытании на удар во многом обусловлено технологией изготовления образцов. 3D - печатные образцы во многом схожи с композитными материалами (имеют волокнистую структуру) и существенно отличаются от литьевых образцов. Также известно, что при испытаниях разрыв, сжатие,
653
ударную вязкость, в первую очередь разрываются межрастровые связи. Растром принято называть внутреннюю нить полимера, уложенную внутри контура изделия при печати.
Таким образом, в ходе проведенных исследований:
1. Разработана методика, позволяющая с высокой точностью, определять баллистический предел прочности для полимеров, используемых в 3D - печати.
2. Исследованы наиболее распространенные полимеры, используемые в 3D -
печати.
3. Получены экспериментальные данные, позволяющие спрогнозировать структурную целостность полимерного материала различной толщины при кинетическом воздействии МТЧ заданного диапазона диаметра.
Список литературы
1. Гончарова О.Н. Аддитивные технологии - динамично развивающееся производство / Гончарова О.Н., Бережной Ю.М., Бессарабов Е.Н., Кадамов Е.А. и др. // Инженерный вестник Дона, 2016. № 4, URL: http://www.ivdon.ru/ru/ magazine/ archive /n4y2016/3931 (дата обращения: 28.02.2020).
2. Балашов А.В., Маркова М.И. Исследование структуры и свойств изделий, полученных 3D-печатью // Инженерный вестник Дона, 2019. № 1, URL: http://www. ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1 y2019/5618 (дата обращения: 28.02.2020).
3. Хаширов А. С. Влияние технологических режимов FDM-печати на свойства изделий из полифениленсульфона и его композита с дискретным углеродным волокном: дис...к-та техн. наук: 02.00.06. Нальчик, 2019. 124 с.
4. ОСТ 134-1031-2003. Изделия космической техники. Общие требования по защите космических средств от механического воздействия частиц естественного и техногенного происхождения (введ. 09.01.03). М.: Российской авиационно-космическое агентство, 2003.
5. Гончаров П.С., Житный М.В. Методика подготовки данных для экспериментальных исследований взаимодействия высокоскоростных частиц с элементами конструкции космического аппарата // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 11. Ч. 3. С. 68 -75.
6. Синельников Э.Г. Методика определения скорости сквозного пробития мишенной обстановки / Синельников Э.Г., Гончаров П.С., Светлорусов М.А. и др. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 1. С. 131 -141.
Синельников Эдуард Геннадьевич, старший научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт- Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Давидчук Виктор Александрович, адъюнкт, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Девяткина Татьяна Юлиановна, младший научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
TECHNIQUE FOR EXPERIMENTAL STUDIES OF THE EFFECT OF SMALL-SIZED SOLID PARTICLES ON POLYMERIC MATERIALS
E.G. Sinelnicov, V.A. Davidchuk, T.Yu. Devyatkina
The paper describes the method of impact testing of polymers used in additive manufacturing. The technology of manufacturing test specimens is described. The results of experimental studies of PET-G, ABS and PLA polymers manufactured by the FDM method are pre-
654
sented. The design of a gas-dynamic pulsed pneumatic throwing unit is proposed, which is used in experimental studies of the kinetic effect of small-sized solid particles on the elements of spacecraft. The dependence of the through-penetration rate on the thickness of the target and striker is determined.
Key words: small solid particle, spacecraft, ballistic tensile strength, 3D printing.
Sinelnicov Eduard Gennadievich, senior researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy.
Davidchuk Viktor Aleksanlrovich, aspirant, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space academy.
Devyatkina Tatiana Yulianovna, junior researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 658.512
К ВОПРОСУ АНАЛИЗА УСЛОВИЙ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
В.А. Косова, Д.П. Гасюк
Проведен анализ условий внешней среды, в которых функционируют современные отечественные машиностроительные предприятия, проведен анализ внутренних противоречий организации технологической подготовки производства машиностроительных предприятий. Предложены пути развития процесса технологической подготовки изготовления продукции машиностроения в условиях позаказного производства.
Ключевые слова: внешняя среда предприятия, машиностроительное предприятие, позаказное производство, удовлетворенность потребителей.
В современном мире развития науки и техники и общей конъюнктуры рынка практически любой продукции вопросы повышения удовлетворенности потребителя становятся приоритетными для абсолютного большинства отечественных предприятий. Если для периода плановой экономики в нашем государстве практически до самого его окончания сохранялась ситуация, которую известный американский промышленник Г. Форд выразил словами: «каждый покупатель может окрашивать свой автомобиль по желанию, если автомобиль черный» [1], то в текущих условиях развития экономики России, которых характерно желание отечественных предприятий выйти на мировые рынки и всё большее присутствие иностранных товаров на российском рынке подобное пренебрежение к интересам потребителей становится невозможным. В связи с этим, практически перед всеми отечественными предприятиями, в том числе перед предприятиями машиностроения, главными задачами становятся пересмотр приёмов и способов построения и организации процесса производства в условиях ориентации на интересы потребителя, а также принятие новых принципов взаимодействия с государством, поставщиками, потребителями и другими организациями, заинтересованными в рентабельной деятельности предприятия.
Безусловно, с конца девяностых годов прошлого столетия произошли серьезные перемены, побудившие отечественные предприятия к перестройке механизмов производственной деятельности и системы управления в целом.
655
