CC BY
71УДК 61
Ksenia S. Besedina1, Nikolay A. Lavrov2, Dmitriy A. Panfilov3,
Viktor V. Barskov4
PROPERTIES OF PRODUCTS FROM ABS-PLASTICS AND POLYAMIDE OBTAINED BY 3D-PRINTING METHOD
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University, Politechnicheskaya st., 29, St Petersburg, 195251, Russia e-mail: [email protected]
Physical and mechanical tests of ABS-plastic and polyamide samples obtained by 3D printing have been carried out. The resutts are compared with the properties of products manufactured by other technologies. By using the experimental studies as the basis, the possibility of using additive technologies in the manufacture of impellers of low-power turbo-generators is demonstrated.
Key words: additive technologies, 3D printing, polymeric materials for 3D printing, ABS plastic, polyamide, FDM technology, SLS technologies, application of additive technologies in the manufacture of impellers of low-power turbo-generators.
В распределенной энергетике турбомашины малой мощности выделяют в особый класс из-за существенного влияния размерности двигателя на полезную мощность, выбор параметров и конструкцию двигателя, в значительной степени определяющих экономическую эффективность. Для ее достижения необходимо применение альтернативных технологических решений.
В мире научные коллективы исследуют различные способы применения альтернативных технологических решений и материалов. В настоящее время в машиностроении наиболее часто применяют порошковые металлы и керамику. Но при проектировании турбомашин малой мощности (рисунок 1), которые применяются в распределенной энергетике, для снижения трудоемкости, материалоемкости и станкоёмкости существует потребность применения новых технологических решений.
Для того, чтобы создать конкурентоспособную турбодетандерную установку малой мощности, можно применить инновационное решение - изготавливать большую часть деталей турбодетандера из полимерных материалов (ПМ) методом 3D-печати. Но в этом случае
.175.2
К.С. Беседина1 , Н.А. Лавров2 , Д.А. Панфилов3 ,
В.В. Барсков4
СВОЙСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ АБС-ПЛАСТИКОВ И ПОЛИАМИДА, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ 3D-ПЕЧАТИ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия. e-mail: [email protected]
Проведены физико-механические испытания образцов из АБС- пластика и полиамида, полученных методом 3D-печати. Проведено сравнение полученных результатов со свойствами изделий, изготовленных с использованием других технологий. На основании экспериментальных исследований показана возможность использования аддитивных технологий при изготовлении рабочих колес турбогенераторов малой мощности.
Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, полимерные материалы для 3D-печати, АБС-пластик, полиамид, FDM технологии, SLS технологии, применение аддитивных технологий при изготовлении рабочих колес турбогенераторов малой мощности.
нужно доказать возможность использования выбранного ПМ, проверить работоспособность полученного изделия в условиях эксплуатации с учетом его физико-механических характеристик.
%
,___900 мм
Рисунок 1. Трехмерная модель экспериментального образца туб-рогенераторной установки электрической мощностью 1кВт
1 Беседина Ксения Сергеевна, аспирант каф. химической технологии полимеров СПбГТИ(ТУ), e-mail: [email protected] Ksenia S. Besedina, postgraduate student, Department of Chemical Technology of Polymers SPbSIT(TU)
2 Лавров Николай Алексеевич, д-р хим. наук, профессор, каф. химической технологии полимеров СПбГТИ(ТУ), e-mail: [email protected]
Nikolay A. Lavrov, Dr Sci. (Chem.), Professor, Department of Chemical Technology of Polymers SPbSIT(TU)
3 Панфилов Дмитрий Александрович, канд. техн. наук, ст. преподаватель, Институт энергетики и транспортных систем СПбПУ, e-mail: [email protected]
Dmitriy A. Panfilov, Ph.D (Eng.), Senior Lecturer Institute of Power and Transport Systems SPbPU
4 Барсков Виктор Валентинович канд. техн. наук, ассистент, Институт энергетики и транспортных систем СПбПУ, e-mail: [email protected]
Viktor V. Barskov, Ph.D (Eng.), assistant, Institute of Power and Transport Systems SPbPU Дата поступления - 1июня 2018 года
Несмотря на разнообразие аддитивных технологий, для каждого из ПМ рекомендуется использовать свой метод получения изделий. Для изготовления деталей из АБС-пластика используется FDM технология, для полиамидов - SLS технология. [1, 2].
FDM технология (Fused Deposition Modeling) или моделирование посредством наплавления используется не только для АБС-пластиков, но и для полилактида [3, 4] и некоторых других термопластов.
SLS технология (Selective Laser Sintering) или селективное лазерное спекание используется для полиамидов, а также для спекания керамических и металлических порошков [4].
В разнообразных литературных источниках опубликовано достаточно много описаний аддитивных технологий, приводятся сведения о применении 3D-печати в разных отраслях промышленности [5-12]. Но практически отсутствует информация о том, как изменяются свойства ПМ при их переработке с использованием данных методов, сопоставимы ли они с теми сведениями, которые приводятся в справочных пособиях.
Способ переработки ПМ в изделие может оказывать влияние на его свойства [13, 14]. Поэтому в данной статье представлены результаты экспериментальных исследований по проведению испытаний деталей из ПМ (АБС-пластика и полиамида), изготовленных методом 3D-печати.
Для проведения исследований были использованы АБС-пластик REC и полиамид марки ПА-12. Изготовление образцов проводили методом 3D-печати. Образцы из АБС-пластика с использованием FDM технологии получали, используя режимы, находящиеся в середине рекомендуемого диапазона (температура расплава 228 °С, скорость нанесения расплава 0,05 м/с). Образцы из полиамида получали с использованием SLS технологии при режимах, рекомендуемых производителем оборудования. Форма и размеры образцов соответствовали ГОСТ, для определения каждого показателя использовали 3-5 образцов. Проведение испытаний проводили, используя оборудование фирмы SHIMADZU (универсальная испытательная разрывная машина серии AG-X plus с погрешностью 0,5 %). Испытания на твердость проводили в соответствии с ГОСТ 4670-70 по методу Бринелля.
В таблице 1 представлены результаты экспериментальных испытаний образцов, изготовленных из АБС-пластика методом 3D-печати. Можно отметить, что свойства образцов, изготовленных методом 3D-печати, по большинству показателей попадают в тот диапазон значений, которые приводятся в литературных источниках [15]. Также близка и плотность получаемых изделий.
Таблица 1. Свойства изделий из АБС-пластика, полученных
методом ЭЭ-печати
Наименование параметра Значение показателя
Разрушающие напряжения при растяжении (о р), МПа 44
Относительное удлинение при разрыве (Д1), % 3
Разрушающее напряжение при сжатии (о сж), МПа 71
Разрушающие напряжения при изгибе (о изг), МПа 73
Ударная вязкость (А), кДж/м2 337
Твердость по Бринеллю (Нв), МПа 46
Плотность материала, кг/м3 997-1020
Поскольку при использовании 3D-печати формирование изделия идет без давления, можно было ожидать снижения кажущейся плотности полимера в изделии и снижения прочностных показателей. Но это не произошло, видимо, из-за того, что в выбранном диапазоне температур используемый АБС-пластик имеет невысокую вязкость, что позволяет в результате 3D-печати получать непористые изделия без внутренних напряжений.
В таблице 2 представлены результаты испытаний образцов из полиамида марки ПА-12, изготовленных по технологии селективного лазерного спекания (БЬБ). Для сравнения приведены показатели, характеризующие значения физико-механических свойств литьевого полиамида марки ПА-12Л.
Таблица 2. Свойства изделий из полиамида
Метод получения
Наименование параметра 3Э-печать Литье под
давлением
Разрушающее напряжение при растяжении (о р), МПа 37 50
Относительное удлинение при разрыве (Д1), % - 200-280
Разрушающее напряжение при сжатии (о сж), МПа 68 60
Разрушающее напряжение при изгибе (о изг), МПа 53 60
Ударная вязкость (А), кДж/м2 72,9 80-90
Твердость по Бринеллю (Нв), МПа 36,1 75
Плотность материала, кг/м3 945 1020
Из данных таблицы 2 видно, что большинство показателей, полученных при испытании образцов из полиамида, полученных методом ЭЭ-печати, имеют более низкие значения, чем приводимые в литературе, в то время как образцы из АБС-пластика, полученные методом 3D-печати имеют свойства, близкие к свойствам образцов, полученных методом литья под давлением.
Причина этого кроется в том, что для получения изделий из АБС-пластиков используется FDM технология, при которой полимер наносится на подложку в виде расплава, процесс оформления изделия подобен сварке ПМ и в результате получаются изделия, имеющие плотную структуру. При получении изделий из полиамида используется SLS технология, при которой происходит спекание частиц полимера с получением изделий, имеющих поры.
Подобные изменения свойств изделий из ПМ, получаемых разными методами, встречаются. Например, ранее было показано [16-19], что свойства изделий из ПМ, получаемых методом ротационного формования, имеющих также пористую структуру, отличаются от свойств материалов, заявляемых производителем.
Помимо снижения некоторых прочностных показателей и кажущейся плотности, изделия из полиамида, получаемые по SLS технологии, имеют шероховатую поверхность.
Проведено исследование возможности применения деталей из АБС-пластиков и полиамидов в экспериментальной турбоустановке [20], для этого был выполнен прочностной расчет с использованием экспериментально определенных физико-механических свойств Па-12 и АБС-пластика. Поскольку в качестве объекта была выбрана вращающаяся деталь, расчет был выполнен при максимальной скорости вращения 2093 рад/с (20000 об/мин). На рисунке 2 приведено напряженное состояние полного диска.
По результатам расчета сегмента в эквивалентных напряжениях и деформациях по фон-Мезису, выполненного методом МКЭ в программе ANSYSWB, показано,
Рисунок 2. Напряженное состояние пластмассового диска при скорости вращения 20000 об/мин (вид на выходные кромки лопаток) что одиночный пластмассовый диск из ПА-12 и АБС-пластика выдерживает скорость вращения 20000 об/мин с запасом 1,8 по максимальным напряжениям. Максимальные напряжения в диске рабочего колеса не превышают 14 МПа.
В результате проведенных расчетов и испытаний сделан вывод об условной возможности применения полиамида и АБС-пластика для изготовления определенных деталей турбомашин.
Литература
1. Зленко М.А, Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении: пособие для инженеров М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. 220 с
2. Шишковский И.В. Основы аддитивных технологий высокого разрешения. СПб.: Питер, 2015. 348 с.
3. Бурлов В.В., Спиров К.Н., Крыжановский В.К. Особенности процесса свободного наслаивания расплавов аморфных термопластов и его влияние на свойства изделий, получаемых по 3D-технологии // Известия СПбГТИ(ТУ). 2016. № 36(62). С. 52-57.
4. Беседина К.С., Лавров Н.А., Барсков В.В. Применение аддитивных технологий при получении изделий из полимерных материалов // Известия СПбГТИ(ТУ). 2018. № 44(70). С. 56-63.
5. Валетов В.А. Аддитивные технологии (состояние и перспективы): учеб. пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2015, 63 с.
6. Антонова В.С, Осовская И.И. Аддитивные технологии: учеб. пособие СПб.: ВШТЭ СПбГУПТД., 2017. 30 с.
7. Рудской А.И., Попович А.А., Григорьев А.В., Каледина Д.Е. Аддитивные технологии: учеб. пособие СПб.: СПбПУ, 2016. 299 с.
8. Смуров И.Ю., Тарасова Т.В., Назаров А.П., Котобан Д.В. Оборудование и технология селективного лазерного плавления / Под ред. А.В. Гусарова М.: МГТУ «СТАНКИН», 2015. 142 с.
9. Товажнянский ЛЛ, Грабченко А.И, Чернышов С.И, Верезуб Н.В., Витязев Ю.Б., Доброскок ВЛ, Кнут Х, Лиерат Ф. Интегрированные технологии ускоренного про-тотипирования и изготовления. 2-е изд., перераб. и доп. / Под. ред. ЛЛ. Товажнянского, А.И. Грабченко Харьков: ОАО "Модель Вселенной", 2005. 224 с.
10. Бобцова С.В. Исследование и разработка методов использования технологий быстрого прототипирования в приборостроении: дис. ... канд. техн. наук СПб, 2005. 124 с.
11. Сухочев Г.А, Коденцев С.Н, Смольянникова Е.Г. Технология машиностроения. Аддитивные технологии в подготовке производства наукоемких изделий Воронеж:
Воронежский гос. технический ун-т, 2013. 222 с.
12. Дьяченко В.А. Челпанов И.Б., Никифоров С.О., Хозонхонова Д.Д. Материалы и процессы аддитивных технологий (быстрое прототипирование). Улан-Удэ: БНЦ СО РАН, 2015. 198 с.
13. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / 4-е изд., испр. и доп. под общей редакцией А.А. Берлина. СПб.: ЦОП «Профессия», 2014. 592 с.
14. Пластмассы со специальными свойствами: сборник научных трудов / Под общей редакцией Н.А. Лаврова. СПб.: ЦОП «Профессия», 2011. 344 с.
15. Крыжановский В. К,, Бурлов В. В., Паниматченко АД, Крыжановская Ю.В. Производство изделий из полимерных материалов. СПб.: Профессия, 2004. 460 с.
16. Лавров НА, Игуменов М.С, Беседина К.С. Использование технологических отходов в производстве изделий из линейного полиэтилена низкой плотности методом ротационного формования // Пласт. массы. 2014. № 1-2. С. 56-59.
17. Igumenov M.S; Lavrov N.A. Features of the rotational moulding of thermoplastics // International Polymer Science and Technology. 2017. Vol. 44, № 10. P. 39-45.
18. Лавров НА, Игуменов М.С, Беседина К.С, Кузьмин В.В. Свойства изделий из линейного полиэтилена низкой плотности, получаемых методом ротационного формования // Известия СПбГТИ(ТУ). 2013. № 20(46). С. 48-50.
19. Лавров НА, Игуменов М.С., Никитина И.В., Беседина К.С. О режимах ротационного формования термопластов // Известия СПбГТИ(ТУ). 2013. № 18(44). С. 27-29.
20. Barskov V.V., Besedin S.N., Besedina K.S., Zabein N.A.,. Matveev Yu.V,. Rassokhin V.A, Lavrov N.A., Fokin G.A.. Regarding the Issue of Application of Advanced Polymeric Materials while Designing Low-Powered Turbo-Machines // International Journal of Advanced Biotechnology and Research (IJBR). 2017. Vol. 8. Issue 4. P. 1708-1715.
References
1. Zlenko M.A., Nagajcev M.V., Dovbysh V.M. Additivnye tehnologii v mashinostroenii: posobie dlja inzhenerov M.: GNC RF FGUP «NAMI», 2015. 220 s
2. Shishkovskij I.V. Osnovy additivnyh tehnologij vysokogo razreshenija. SPb.: Piter, 2015. 348 s.
3. Burlov V.V., Spirov K.N., Kryzhanovskij V.K. Osobennosti processa svobodnogo naslaivanija rasplavov amorfnyh termoplastov i ego vlijanie na svojstva izdelij, poluchaemyh po 3D-tehnologii // Izvestija SPbGTI(TU). 2016. № 36(62). S. 52-57.
4. Besedina K.S., Lavrov N.A., Barskov V.V. Primenenie additivnyh tehnologij pri poluchenii izdelij iz polimernyh materialov // Izvestija SPbGTI(TU). 2018. № 44(70). S. 5663.
5. Valetov V.A. Additivnye tehnologii (sostojanie i perspektivy): ucheb. posobie. SPb.: Universitet ITMO, 2015, 63 s.
6. Antonova VS, Osovskaja I.I. Additivnye tehnologii: ucheb. posobie SPb.: VShTJe SPbGUPTD., 2017. 30 s.
7. Rudskoj A.I., Popovich A.A., Grigor'ev A. V.,. Kaledina D.E. Additivnye tehnologii: ucheb. posobie SPb.: SPbPU, 2016. 299 s.
8. Smurov IJu, Tarasova T.V., Nazarov A.P., Kotoban D.V. Oborudovanie i tehnologija selektivnogo lazernogo plavlenija / Pod red. A.V. Gusarova M.: MGTU «STANKIN», 2015. 142 s.
9. Tovazhnjanskij L.L., Grabchenko A.I, Chernyshov S.I, Verezub N.V., Vitjazev Ju.B, Dobroskok V.L., Knut H,, Lierat f
Integrirovannye tehnologii uskorennogo prototipirovanija i izgotovlenija. 2-e izd., pererab. i dop. / Pod. red. L.L. Tovazhnjanskogo, A.I. Grabchenko Har'kov: OAO "Model' Vselennoj", 2005. 224 s.
10. Bobcova S.V. Issledovanie i razrabotka metodov ispol'zovanija tehnologij bystrogo prototipirovanija v priborostroenii: dis. ... kand. tehn. nauk SPb, 2005. 124 s.
11. Suhochev G.A., Kodencev S.N., Smol'jannikova E.G. Tehnologija mashinostroenija. Additivnye tehnologii v podgotovke proizvodstva naukoemkih izdelij Voronezh: Voronezhskij gos. tehnicheskij un-t, 2013. 222 s.
12. D'jachenko V.A. Chelpanov I.B., Nikiforov S.O., Hozonhonova D.D. Materialy i processy additivnyh tehnologij (bystroe prototipirovanie). Ulan-Udje: BNC SO RAN, 2015. 198 s.
13. Polimernye kompozicionnye materialy: struktura, svojstva, tehnologija: ucheb. posobie / 4-e izd., ispr. i dop. pod obshhej redakciej A.A. Beriina. SPb.: COP «Professija», 2014. 592 s.
14. Plastmassy so special'nymi svojstvami: sbornik nauchnyh trudov / Pod obshhej redakciej N.A. Lavrova. SPb.: COP «Professija», 2011. 344 s.
15. Kryzhanovskj V.K., Burlov V.V., Panimatchenko A.D.,
Kryzhanovskaja Ju.V. Proizvodstvo izdelij iz polimernyh materialov. SPb.: Professija, 2004. 460 s.
16. Lavrov N.A., Igumenov M.S., Besedina K.S. Ispol'zovanie tehnologicheskih othodov v proizvodstve izdelij iz linejnogo polijetilena nizkoj plotnosti metodom rotacionnogo formovanija // Plast. massy. 2014. № 1-2. S. 5659.
17. Igumenov M.S; Lavrov N.A. Features of the rotational moulding of thermoplastics // International Polymer Science and Technology. 2017. Vol. 44, № 10. P. 39-45.
18. Lavrov N.A,, Igumenov M.S., Besedina K.S., Kuz'min V.V. Svojstva izdelij iz linejnogo polijetilena nizkoj plotnosti, poluchaemyh metodom rotacionnogo formovanija // Izvestija SPbGTI(TU). 2013. № 20(46). S. 48-50.
19. Lavrov N.A., Igumenov M.S., Nikttina I.V., Besedina K.S. O rezhimah rotacionnogo formovanija termoplastov // Izvestija SPbGTI(TU). 2013. № 18(44). S. 27-29.
20. Barskov V.V., Besedin S.N., Besedina K.S., Zabeiin N.A.,. Matveev Yu. V, Rassokhin VA, Lavrov N.A., Fokin G.A. Regarding the Issue of Application of Advanced Polymeric Materials while Designing Low-Powered Turbo-Machines // International Journal of Advanced Biotechnology and Research (IJBR). 2017. Vol. 8. Issue 4. P. 1708-1715.
