CC BY
20
УДК 691.175.2, 620.178.169
Д.Ю. Финогеев, Д.А. Макаров, И.В. Головченко, О.П. Решетникова
ВЛИЯНИЕ АБРАЗИВНОГО ИЗНОСА НА ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЭКСТРУЗИОННЫХ СОПЕЛ ПРИ ПЕЧАТИ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ МЕТОДОМ ПОСЛОЙНОГО НАПЛАВЛЕНИЯ
Аннотация. В статье рассмотрена проблема абразивного износа экструзионного сопла FDM SD-принтера после печати композитным материалом. Рассмотрен наглядный пример износа двух видов сопел из разных конструкционных материалов.
Ключевые слова: аддитивные технологии, SD-печать, абразивный износ, композитные материалы, FDM
D.Yu. Finogeev, D.A. Makarov, I.V. Golovchenko, O.P. Reshetnikova
THE EFFECTS OF ABRASIVE WEAR ON GEOMETRIC PARAMETERS OF EXTRUSION NOZZLES WHEN PRINTING WITH COMPOSITE MATERIALS USING THE LAYER-BY-LAYER METHOD
Abstract. The article discusses the problem of abrasive wear of the FDM 3D printer extrusion nozzle after printing with a composite material. A visual aid is provided to the wear of two types of nozzles made from different structural materials.
Keywords: additive technologies, 3D-printing, abrasive wear, composites, FDM
ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие аддитивных технологий (АТ) и внедрение их в существующие производства внесло большой вклад в понимание процессов, происходящих при печати методом экструзии (FDM/FFF) [1]. Так, использование такой технологий показало, что требования к печати возросли не только со стороны возможности оборудования, но и со стороны используемых материалов.
Стал актуальным вопрос о печати конструкционными композитными пластиками, которые позволяют получить детали с более высокими физико-механическими свойствами. Печать такими пластиками имеет большой ряд нюансов, например печать должна производиться в термокамерах с программируемыми режимами температуры бокса и экструзии для ликвидации геометрических деформаций в момент построения изделия.
Наряду со сложностями печати возникают сопутствующие проблемы при построении изделий. К ним можно отнести некачественное сплавление слоев, недостаточное и неравномерное экструдирование, образование натеков на предыдущие слои и т. д. Приведенные примеры в большинстве случаев зависят от экструзионного сопла и степени его износа [2].
Возникающие проблемы печати композиционными материалами обусловлены как структурными свойствами самого материала, так и режимами послойного наплавления. Различные виды наполнителей для производства нитей (филамента) по-разному влияют на износ сопла. К примеру, нити, наполненные углеродным волокном, воздействуя на поверхность экструзионной части сопла, оставляют глубокие задиры. При этом происходит изменение геометрии калибрующей части сопла, что влечет за собой искажение параметров экстрагируемого слоя.
Следствие всего этого - появление брака при изготовлении деталей. Проанализируем влияние абразивного износа на геометрические параметры экструзионных сопел из двух разных материалов. Приведем статистические данные зависимости износа калибрующей части.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Для испытания абразивной стойкости экструзионных сопел был выбран композиционный материал на основе нейлонового сополимера с добавлением углеродного волокна «PolyMide™ PA6-CF» [3]. В настоящее время такой вид материалов приобретает особую популярность, так как позволяет получить изделие с высоким модулем упругости, улучшенной химической и термической устойчивостью. В табл. 1 приведены механические свойства материала.
Таблица 1
Механические свойства материала «PolyMide™ PA6-CF»
Модуль Юнга, МПа Предел прочности при растяжении, МПа Прочность на изгиб, МПа Ударная вязкость по Шарпи, кДж/м2
7453 ± 656 105,0 ± 5,0 169,0 ± 4,7 13,34 ± 052
В качестве объектов исследования были выбраны два сопла марки E3D V6 - латунное и стальное, с диаметром калибрующей части 0,5 мм (рис. 1, 2). Данный диаметр выбран из оптимальных параметров свободного прохождения частиц расплавленного композитного материала без засорения экструзионного канала.
Рис. 1. Сопло из латунного сплава B135 Рис. 2. Сопло из закаленной стали A2
Исследование производилось на оборудовании PICASO 3D-Designer. Данный принтер позволяет печатать согласно рекомендуемым параметрам для экструзии используемого в исследовании материала. Для фиксации результатов использовался оптический микроскоп «БиОптик СМ-400».
МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ
В качестве модели, для испытания, используется куб объемом 8000 мм3. Подготовка управляющей программы (УП) производилось в программном обеспечении «Ulti-maker Cura». Подготовленная программа не изменяется на всем протяжении всего исследования. Настройки параметров печати приведены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры настройки в программном обеспечении «Ultimaker Cura»
Температура сопла, t° Температура стола, t° Охлаждение зоны печати, % Скорость печати, мм/с Толщина слоя, мм
295 60 85 60 0,3
После генерации УП по расчетным параметрам программы, получаем время печати - 57 минут и количество требуемого пластика на один образец 18 г. Производим наладку принтера и осуществляем печать модели с последующим контролем износа сопла. Контроль сопла будем производить после каждого изготовления детали, доводя испытуемые сопла до максимального истирания.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Изучение экструзионных сопел из закаленного и латунного сплава после печати показало значительные результаты по изменению исходных геометрических характеристик. В процессе 3 D-печати происходит как линейный, так и диаметральный износ. Линейное истирание происходит за счет постоянного следования пятна расплавленного композиционного материала по координатам перемещения. Такое влияние материала приводит к большому изнашиванию торца экструзионного сопла. Это подтверждают приведенные замеры высоты сопла (рис. 3). Помимо линейного износа, происходит и диаметральный износ калибрующего экструзионного отверстия сопла. Изменение диаметральных размерных характеристик представлено на рис. 4.
11.9-------
Количество напечатанных образцов, шт
Рис. 3. График зависимости линейного износа экструзионных сопел из латунного сплава В135 и закаленной стали А2
Количество напечатанных образцов, шт
Рис. 4. График зависимости диаметрального износа экструзионных сопел из латунного сплава В135 и закаленной стали А2
Полученные данные свидетельствуют о значительном отрицательном влиянии композиционного материала «PolyMide™ PA6-CF» на стандартные экструзионные сопла, выполненные из латунного сплава, и в меньшей мере - на закалённое сопло. Истирающий эффект происходит за счет абразивного износа инструмента (сопла) углеродными микроволокнами. Размер волокон хорошо виден в сравнении с величиной слоя в 0,3 мм (рис. 5).
Рис. 5. Структура детали из материала «PolyMide™ PA6-CF»
ВЫВОДЫ
Выполненное испытание и изучение экструзионных сопел после продолжительного воздействия материала «PolyMide™ PA6-CF» показало значительное влияние абразивного износа при печати высоконаполненными композиционными материалами. Лучшие показатели износостойкости показало сопло, изготовленное из закаленной стали. В дальнейшем планируется провести исследование с соплами, изготовленными из углеродистой инструментальной стали и твердых сплавов.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Финогеев Д.Ю., Решетникова О.П. Аддитивные технологии в современном производстве деталей точного машиностроения, // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2020. № 3 (86). С. 63-71.
2. Холодилов А.А., Пузынина М.В. Проблемы, возникающие при трехмерной печати объектов с использованием технологии FDM // Наука, образование, инновации: апробация результатов исследований: материалы Междунар. (заоч.) науч.-практ. конф., Прага, 09 февраля 2017 г.. Прага: Науч.-изд. центр «Мир науки», 2017. С. 199-204.
3. Каталог продукции Polymaker, 2022. URL: https://eu.polymaker.com/product/polymide-
pa6-cf/
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Финогеев Даниил Юрьевич -
магистрант Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Макаров Денис Алексеевич -
инженер-технолог ПАО «СЭЗ им. Серго Орджоникидзе», Саратов
Головченко Илья Вячеславович -
магистрант Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Решетникова Ольга Павловна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Daniil Yu. Finogeev -
Master student,
Yuri Gagarin State Technical
University of Saratov
Denis A. Makarov -
Industrial Engineer, PAO «Sergo Ordzhonikidze SEZ», Saratov
Ilya V. Golovchenko -
Master student,
Yuri Gagarin State Technical
University of Saratov
Olga P. Reshetnikova -
PhD (Technical Sciences), Associate Professor, Department of Mechanical Engineering Technology, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 16.05.2022, принята к опубликованию 06.06.2022
