CC BY
78
УДК 621.74
С. Н. ЛИТУНОВ Н. И. ФИЛЕНКО О. В. ЧЕМИСЕНКО Н. С. КОЩЕЕВА
Омский государственный технический университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕЧАТАЮЩЕЙ ГОЛОВКИ ДЛЯ 3Р ПРИНТЕРА_
Предложено для 3D печати моделей для литья по выплавляемым моделям использовать печатающую головку, работающую с использованием электрогидравлического эффекта (ЭГЭ). Для определения одного из важнейших параметров такой головки, давления в ее корпусе изготовлен фильерный узел и испытательный стенд. Подобраны модельные печатные составы на основе парафина и канифоли. Определена оптимальная температура расплава печатного состава. Получены зависимости давления внутри фильерного узла от модельного состава.
Ключевые слова: литье по выплавляемым моделям, 3D печать.
Литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) является наиболее точным способом литья, требующим минимального количества последующей механической обработки готовой отливки [1]. Анализ открытых источников показал, что в условиях снижения количество отливок в партии при одновременном повышении количества партий наиболее прогрессивным и перспективным является получение литейной модели с использованием 3D печати.
В открытой печати встречаются работы, касающиеся применения 3D печати в технологии ЛВМ. Часть работ посвящена обзору аддитивных технологий при изготовлении деталей методом ЛВМ [2 — 4 и др.]. Некоторые работы посвящены совершенствованию 3D печати в технологии ЛВМ [5 — 8 и др.]. Часть исследователей занимается совершенствованием модельного состава [9]. Работ, посвящённых прямому изготовлению моделей из литейного воска методом 3D печати, отмечено не было.
Для прямого изготовления моделей методом 3D печати применяют так называемый FDM-метод (Fused Deposition Modeling), который предусматривает получение литейной модели методом экструзии расплава полимера [10]. В качестве печатного материала наиболее часто применяют пластмассы с относительно низкой температурой плавления и высокой текучестью, такие как ABS- и PLA-пластики. В стандартных головках для FDM принтеров применяют фильеры с минимальным диаметром 0,15 мм. Такое отверстие при построении 3D модели позволяет получить наносимый слой толщиной 50—100 мкм.
Недостатком этого способа является то, что в процессе выплавления модели в труднодоступных местах литейной формы указанные пластики горят, образуя соединения, для удаления которых требуются дополнительные затраты. Кроме того, оставшийся в литейной форме полимер и продукты его
горения, попадая в заливаемыи металл, снижают качество готовоИ детали.
В сети Internet встречаются заметки о попытках, в целом неудачных, использования литейного материала на основе парафина в FDM-принтерах [11]. Также для изготовления литейной модели применяют метод струйной 3D печати, который называется MJM-метод (Multi-jet Modeling). В качества печатного материала используется состав на основе литьевого воска [12]. Толщина слоя при печати составляет 16 мкм, точность 0,127 мм. В принтерах использованы печатающие пьезоголовки.
Одной из проблем, с которой сталкиваются специалисты в данной области, является высокая текучесть расплава печатающего материала и особенности взаимодействия расплава и остывшего материала [11]. Известно, что регулировать реологические свойства жидкости можно за счет использования порошковых наполнителей. При этом жидкость приобретает тиксотропные свойства, которые должны сыграть положительную роль при построении 3D модели. Однако при введении наполнителя резко увеличивается вязкость полученной суспензии. Существующие пьезоголовки не предназначены для использования тиксотропных суспензий, что является их недостатком.
Для устранения указанных недостатков, а также для упрощения печатающего устройства предложена печатающая головка (рис. 1), принцип работы которой основан на электрогидравлическом эффекте (ЭГЭ, эффекте Юткина) [13]. Головка работает следующим образом [14]. Корпус головки 1 заполнен жидким печатным материалом (например, расплавом печатной композиции на основе парафина или иным). На электроды 2 подается высоковольтное напряжение и происходит разряд, в результате чего образуется фронт высокого давления, который распространяется в направлении сопла 6. Под действием давления печатный материал продавливается
о
го
а б
Рис. 1. Печатная струйная головка, работающая по ЭГЭ: 1 — корпус; 2 — электроды; 3 — высоковольтный источник тока; 4 — печатный стол; 5 — слой печатного материала; 6 — сопло; 7 — система подачи печатного материала; 8 — мембрана
Л-<
00
0
1
5
3
Рис. 2. Испытательный стенд
через фильеру 6 и попадает на печатный стол 4, формируя слой 5.
Недостатком предложенной головки является образование нагара на электродах. Для устранения этого явления предложена печатающая головка [14], в которой корпус 1 разделен мембраной 8 на две части. Верхняя часть заполнена водой, и в ней расположены электроды 2. Нижняя часть снабжена фильерой 6 и системой подачи печатного материала 7. В этом случае вода не образует нагар на электродах и может работать длительное время в закрытом герметично пространстве, а давление на печатный материал оказывает мембрана, механические свойства которой подбираются исходя из давления, развиваемого в верхней камере, и сопротивления течению, развиваемого в нижней камере.
Толщину слоя определяют расход печатного материала через фильеру и расстояние между фи-
льерой и печатным столом. Головка перемещается в горизонтальной плоскости, а печатный стол — в вертикальной с помощью шаговых двигателей (на рисунке не показаны). Предварительные эксперименты показали работоспособность предложенной головки в расплаве парафина и канифоли.
Величина напряжения, форма и размеры камеры, в которой происходит разряд, зависят от свойств печатного материала. Свойства последнего, в свою очередь, зависят от области применения готового изделия. Так, для изготовления литейной модели печатный материал должен обладать следующими свойствами [15]:
— в жидком состоянии — хорошей текучестью, температурой плавления не более 100 °С, температурой затвердевания не выше 35 — 40 °С;
— в твердом состоянии — хорошими прочностными характеристиками; температурой размягчения не более 60 °С;
— при охлаждении — низким коэффициентом объемного расширения, равномерной усадкой не более 1—3 %.
Для изготовления моделей применяют составы, включающие парафин, церезин, стеарин, буроу-гольный воск, этилцеллюлозную канифоль, полиэтиленовый воск и другие вещества. В результате их смешивания получаются составы, из которых можно получить литейную модель, но обладающие весьма разными свойствами.
Для разработки печатающей головки 3Б принтера необходимо определить мощность и производительность устройства, создающего давление в печатающей головке. Параметры устройства зависят от сопротивления течению печатного материала через фильеру. Для определения давления был разработан и изготовлен испытательный стенд (рис. 2), включающий фильерный узел, компьютер и разрывную машину фирмы 7ш1ск/Кое11 (Германия) (скорость траверсы 0,0005 — 2000 мм/мин, точность измерения скорости 0,05 % от номинальной скорости, номинальное усилие 10 кН).
Фильерный узел включает стандартную плунжерную пару 1, применяемую в топливных насосах высокого давления, и корпус 3 (рис. 3а). В разрывной машине предусмотрена возможность проведения опытов в термокамере с температурой до 250 °С. Фильерный узел, помещенный в термокамеру разрывной машины, показан на рис. 3б.
а б
Рис. 3. Фильерный узел: 1 — плунжерная пара, 2 — корпус; 3 — пластина с отверстием; а — фильерный узел в разрезе; б — фильерный узел, установленный в термокамере разрывной машины
Рис. 4. Форма капли композиции парафина и технического углерода (слева) и чистого парафина (справа)
Торец плунжера герметично закрывали пластиной толщиной 0,1 мм с отверстием диаметром 0,1 мм, внутрь плунжера закладывали печатный материал в количестве 1 см3, собранный фильерный узел помещали в зажимы разрывной машины.
В качестве печатного материала использовали две композиции, составы которых были подобраны в результате проведения предварительных экспериментов:
— состав 1: на основе парафина (парафин марки А — 70 %, технический углерод № 802 (Омск Карбон Групп, Россия) — 30 %);
— состав 2: на основе канифоли (канифоль паяльная — 80 %, технический углерод № 802 (Омский завод технического углерода) — 15 %, парафин марки А — 5 %).
Оба состава обладают свойствами, наиболее близкими к требованиям к литейному составу. Выбор применяемых материалов обусловлен доступностью, ценой и опытом их использования. Оба полученных состава обладают хорошими тик-сотропными свойствами, что выражается в отсутствии растекания в расплавленном состоянии. Форма капли расплава чистого парафина и композиции парафина (85 %) и технический углерод № 802 (15 %), нанесенных на подогретый до температуры 65 °С металлический стол, показана на рис. 4. Из рисунка видно, что чистый парафин растекается по поверхности стола, а композиция из парафи-
на и технического углерода сохраняет форму даже в состоянии расплава.
Свойство тиксотропности позволит наносить последующий слой печатного материала на предыдущий без предварительного охлаждения последнего с сохранением формы. Однако следует отметить, что подбор компонентов печатного материала носит предварительный характер и требует дополнительных исследований.
Анализ скорости работы имеющегося в наличии 3Б принтера позволил вычислить скорость движения зажима разрывной машины (скорость движения плунжера), соответствующей производительности принтера. Эта скорость составила 0,1 см/с. На рис. 5 и 6 показаны зависимости усилия на зажимах разрывной машины при указанной скорости движения зажима для расплавов составов № 1 и 2. Каждый опыт повторяли 3 раза, график зависимости строили как среднее между значений в каждом опыте. Кривые имеют зону нарастания и участок плато, который соответствует установившемуся течению расплава через отверстие. Значение усилия на участке плато является искомой величиной, через которую можно рассчитать давление в камере печатающей головки.
Опыты по определению вязкости расплава парафина и канифоли от температуры расплава в диапазоне температур 60—100 °С, выполненные с помощью воронки ВЗ-3, показали, что в указанном
о
го
1200 1000 -\ 800 600 400 -\ 200 0
1
/ 2
/
/у
0 2 4 6
Стандартное перемещение, мы
10
Рис. 5. Зависимость усилия на зажимах машины от температуры расплава состава № 1: 1 — 60 °С; 2 — 70 °С; 3 — 80 °С
Рис. 6. Зависимость усилия на зажимах машины от температуры расплава состава № 2: 1 — 60 °С; 2 — 70 °С; 3 — 80 °С
диапазоне температур вязкость расплавов постоянна. Однако из рисунков видно, что усилие для максимальной и минимальной температуры отличаются в первом и втором случае на 500 Н. Это говорит о том, что введение технического углерода сделало вязкость составов зависимой от температуры.
Усилие для состава № 1 в 3 — 4 раза меньше давления для состава № 2. Это объясняется более высокой вязкостью последнего. Кроме того, для состава № 1 разница усилия между кривой 1 и 2 составляет 400 Н, а между кривой 2 и 3 — 100 Н. Для состава № 2 разница между кривыми 1, 2, 3 составила 250 Н. Это можно объяснить более выраженной зависимостью вязкости расплава от температуры для состава № 1.
Расчет показал, что давление в цилиндре плунжерной пары для состава № 1 составило (1-2) • 107 Па, а для состава № 2 (5-6) • 107 Па. Этими значениями и необходимо руководствоваться при расчете и конструировании печатающей головки, действие которой основано на электрогидравлическом эффекте.
Выводы.
1. Прямое изготовление модели составами на основе легкоплавких материалов является наиболее оптимальной технологией при изготовлении деталей малыми партиями.
2. Существующие печатающие головки 3Б печати, применяемые для прямого изготовления моделей, имеют существенные недостатки, от которых свободна печатающая головка, действие которой основано на электрогидравлическом эффекте.
3. Введение наполнителей в составы на основе парафина и канифоли придает им тиксотропные свойства, что позволяет увеличить качество модели.
4. Проведенные эксперименты позволили определить рабочее давление в печатающей головке, значение которого необходимо учитывать при расчете и проектировании печатающей головки нового типа.
Библиографический список
1. Литье по выплавляемым моделям. Суть процесса. Основные операции и область применения. — Режим доступа : http://uas.su/books/spesia1methodsforcasting/21/razde121.php (дата обращения: 10.06.2016).
2. Зубков, А. Третья промышленная революция. Аддитивные технологии 3Б печати в наукоемких отраслях промышленности / А. Зубков // Технологии в электронной промышленности. — 2015. — Т. 7, № 83. — С. 73 — 78.
3. Макаров, М. Дорогие игрушки или чудо машиностроения? Обновляем литейные цеха / М. Макаров // Фотоника. — 2015. — № 6 (54). — С. 10 — 21.
4. Киселева, С. В. 3Б технологии как инновационный путь развития современного предприятия / С. В. Киселева,
A. Л. Миронова // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации : сб. науч. тр. XI Междунар. науч.-практ. конф. — Курск, 2014. — С. 183 — 186.
5. Митраков, Г. Н. Повышение эффективности литья по выплавляемым моделям при использовании аддитивных технологий // Г. Н. Митраков, В. С. Сазонов, А. В. Полякова, И. С. Аникин // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2015. — № 2 (140). — С. 85 — 87.
6. Филаткин, В. Реализация производства по индивидуальным заказам с помощью промышленных 3Б принтеров /
B. Филаткин // Технологии в электронной промышленности. — 2014. — № 7 (75). — С. 62 — 64.
7. Митраков, Г. Н. Использование аддитивных технологий при литье по выжигаемым моделям / Г. Н. Митраков,
C. Н. Евдокимов, Е. Г. Лаврик, В. С. Сазонов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2015. — № 2 (140). — С. 80 — 84.
8. Агаповичев, А. В. Разработка методики литья сложных деталей аэрокосмического профиля с использованием аддитивных технологий / А. В. Агаповичев, А. В. Балякин, В. Г. Смелов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королёва. — 2014. — № 5 — 2 (47). — С. 166—172.
9. Постиженко, В. К. Наполненные модельные составы для изготовления отливок лопаток газовых турбин методом литья по выплавляемым моделям / В. К. Постиженко, О. С. Береговая // Новые материалы и технологии в машиностроении. — 2009. — № 10. — С. 84—87.
10. Литунов, С. Н. Обзор и анализ аддитивных технологий. Ч. 1 / С. Н. Литунов, В. С. Слободенюк // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии — 2016. — № 1 (145). — С. 12—18.
11. 3Б печать воском для литья по выплавляемым моделям. — Режим доступа : http://www.chipmaker.ru/topic/168456/ (дата обращения: 08.05.2016).
12. Принцип создания моделей и заказ прототипа для литья из металла. — Режим доступа : http://vektorus.ru/1ite-po-vyp1av1jaemym-mode1jam/ (дата обращения: 11.06.2016).
13. Юткин, Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности / Л. А. Юткин. — Л. : Машиностроение, 1986. — 254 с.
14. Пат. № 155865 Российская Федерация, МПК В 41 J 2/00. Печатающая головка для струйной печати / С. Н. Литу-нов, Ю. Д. Тощакова ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. — № 2015124258 ; заявл. 22.06.2015 ; опубл. 20.10.2015, Бюл. № 29.
15. ЗАО Уральский завод цветных металлов. Модельные составы. — Режим доступа : http://uzcm.ru/spravka/tech/ model/1.php. (дата обращения:13.05.2016).
ЛИТУНОВ Сергей Николаевич, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор, заведующий кафедрой оборудования и технологий полиграфического производства.
ФИЛЕНКО Наталья Ивановна, инженер кафедры оборудования и технологий полиграфического производства.
ЧЕМИСЕНКО Олег Владимирович, инженер научно-образовательного ресурсного центра «Политест», аспирант кафедры физики. КОЩЕЕВА Наталья Сергеевна, студентка гр. ТП-121 нефтехимического института. Адрес для переписки: oitpp@mail.ru
Статья поступила в редакцию 17.06.2016 г. © С. Н. Литунов, Н. И. Филенко, О. В. Чемисенко, Н. С. Кощеева
УДК 621.01
Ф. Н. ПРИТЫКИН В. И. НЕБРИТОВ
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМЕРОВ И ФОРМЫ ОБЛАСТИ ДОПУСТИМЫХ ЗНАЧЕНИЙ В МНОГОМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ОБОБЩЕННЫХ СКОРОСТЕЙ, ЗАДАЮЩЕЙ ДОПУСТИМЫЕ МГНОВЕННЫЕ СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЗМА АНДРОИДНОГО РОБОТА
Исследована область допустимых значений вектора обобщенных скоростей андроидного робота для различных положений механизма руки при синтезе движений по вектору скоростей. Для аналитического задания области в многомерном пространстве использована теория множеств. В данной работе представлен метод, позволяющий сократить время синтеза движения манипулятора андроидного робота.
Ключевые слова: синтез движений роботов по вектору скоростей, двигательная избыточность, механизм манипулятора, интеллектуальные системы управления роботами.
С целью обеспечения автономного функционирования роботов в сложно организованных средах существует необходимость в разработке гибридных интеллектуальных систем управления [1]. Одной из составных частей данных систем управления является наличие блока обеспечивающего виртуальное моделирование на основе моделей окружающей среды и механизма манипулятора. В данных системах управления на начальном этапе реализации двигательной задачи возможности механизма манипулятора оценивают виртуально. Если задание от начальной до целевой точки смоделировано виртуально, после этого используется силомомент-ный алгоритм управления с применением системы очувствления. Особую актуальность имеют указанные исследования при наличии двигательной избыточности. Двигательная избыточность позволяет строить движение при наличии запретных зон многовариативными способами.
В работе [2] исследованы максимальные значения параметров в некоторых точках конфигурационного пространства, задающие мгновенные состояния механизма андроидного робота АК-600Б. Указанные мгновенные состояния механизма удовлетворяют заданной точности позиционирования 8 центра выходного звена (ВЗ) при синтезе движений по вектору скоростей. Значения данных параметров используют при поиске значений вектора обобщённых скоростей (2 = {¿¡1 ¿¡2 ...,с[п). При этом значение вектора Q находится точкой №, принадлежащей р-плоскости Г2, которая задана линейной системой уравнений, определяющей взаимосвязь скоростей ВЗ и обобщённых скоростей [3 — 5]. Верхний индекс 2 определяет принадлежность геометрических объектов многомерному пространству обобщенных скоростей (. Размерность указанной р-плоскости Г2, в пространстве 2 определяет степень двигательной избыточности при синтезе движений. Положе-
0 го
