ВЛИЯНИЕ ПОСТОБРАБОТКИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ FDM-ПЕЧАТИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

УДК 67.02,620.172

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-326-327

ВЛИЯНИЕ ПОСТОБРАБОТКИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ FDM-ПЕЧАТИ

И.В. Гнидина, В.М. Волгин, А.П. Малахо, А.А. Потапов

Проведен анализ методов постобработки изделий после FDM-печати. Разработана методика термической постобработки образцов из АБС-пластика, полученных методом FDM-печати. Проведены экспериментальные исследования прочности на растяжение, пористости и деформаций образцов после термической постобработки. Показано, что термическая постобработка позволяет улучшать физико-механические свойства деталей, получаемых методом FDM-печати.

Ключевые слова: термическая постобработка, FDM-печать, АБС-пластик, предел прочности при растяжении, пористость, деформация.

Введение. Среди методов 3D-печати метод FDM (Fused-Deposition Modeling) является самым популярным в мире благодаря способности легко адаптироваться под различные задачи и максимально быстро запускать изделия сложной геометрии в производство при минимальных затратах [1]. Во время печати исходный материал в виде нити (филамента) разматывается с катушки и подается в печатающую головку, которая нагревает материал до полужидкого состояния выше температуры стеклования. Затем он выдавливается из сопла и наносится на встроенную платформу (стол) принтера (рис. 1). Подаваемая от катушки твердая нить выполняет функцию поршня, выталкивающего расплавленную нить из сопла [2]. Усилие, прилагаемое нитью для выдавливания расплава, должно быть достаточным для преодоления перепада давления на печатающей головке, который зависит от реологических свойств расплавленного материала и геометрии сопла. Таким образом, нить должна быть достаточно жесткой и не должна разрушаться при изгибе. Печатающая головка или платформа стола перемещаются по осям X и Y, что позволяет осаждать расплавленный материал для формирования двумерных слоев детали. По завершении каждого слоя печатающая головка перемещается по оси Z на величину толщины слоя, что позволяет нанести следующий слой поверх предыдущего. Полужидкое состояние материала, осаждаемого с наконечника сопла, позволяет смежным слоям сплавляться друг с другом. Наконечник сопла прижимает расплавленный материал к предыдущему слою. Из-за давления и высокой температуры поверхность предыдущего слоя повторно расплавляется. Это обеспечивает сплавление нового слоя с ранее напечатанным. После нанесения материал нити быстро затвердевает. Процесс послойного нанесения продолжается до тех пор, пока не будет напечатана вся заданная геометрия изделия.

Накопленные к настоящему времени сведения о применении полимерных материалов в технологии FDM-печати показывают, что свойства изделий, полученных FDM-печатью, значительно уступают свойствам литьевых изделий, несмотря на то, что FDM-технологии позволяют регулировать большое количество параметров печати, которые могут оказывать значительное влияние на физико-механические свойства печатаемого образца [3]. Для стабильной печати изделия с заданными свойствами параметры печати необходимо оптимизировать, причем любое,

даже незначительное их изменение может привести к значительным, не всегда положительным, изменениям механической прочности и качества готового изделия. Именно поэтому в последнее время большое внимание уделяется исследованиям различных методов постобработки изделий, полученных методом FDM - печати, с целью улучшения из физико-механических и эксплуатационных характеристик [3-7].

В многочисленных исследованиях отмечается, что изделиям из термопластичных полимеров и композитов, напечатанным методом FDM, присущи недостатки, которые непосредственно влияют на механические характеристики и внешний вид готового изделия.

К основным недостаткам изделий, напечатанных методом FDM, относятся [4]:

- искажения формы, возникающие из-за остаточных напряжений, вызванных температурными градиентами во время печати;

- микропустоты, возникающие в чистом полимере в зависимости от межрастрового зазора и толщины слоя, задаваемых при печати;

- микропустоты, возникающие при печати композиционного материала вследствие неравномерного распределения наполнителя внутри материала матрицы либо плохого сцепления между наполнителем и матрицей;

- высокая шероховатость поверхности готового изделия, возникающая из-за лестничного эффекта.

В настоящее время проводятся исследования применимости различных методов дополнительной обработки изделий, направленных на минимизацию дефектов, возникающих при FDM-печати (рис. 2).

Термическая

Грунтование

Химическая

Шлифование

Лазерная

Ультразвуковая

Рис. 2. Виды постобработки изделий, напечатанных методом FDM

Для постобработки изделий после FDM-печати широко используются такие методы, как: механическая финишная обработка (шлифование, полирование); заполнение поверхностных пустот различными материалами (эпоксидной смолой, жидким силиконом и т.д.), либо с помощью повторного подплавления или растворения материала на поверхности каким-либо методом (химическое растворение, лазерное подплавление) нанесение покрытий (РУЭ-, СУЭ-, гальванические покрытия) [8, 9].

Простейшим методом обработки изделия после 3Э-печати является ручное механическое шлифование с использованием наждачной бумаги различно зернистости. В настоящее время используется также «мокрое шлифование», заключающееся в увлажнении поверхности изделия во время обработки. Смачивание поверхности помогает отводить тепло, генерируемое трением, и тем самым препятствует оплавлению модели. Следует отметить, что не все термопластичные материалы, используемые для печати, хорошо поддаются шлифованию. Например, АБС и ПЛА-пластики лучше обрабатываются, чем поликарбонат или органическое стекло.

Грунтование с помощью специальных аэрозолей используется в качестве самостоятельного метода постобработки поверхности изделий после 3Э-печати или в сочетании с последующей покраской акриловыми красками. Этот метод постобработки направлен в первую очередь на придание изделию товарного (художественного) вида.

Химическая обработка применяется в основном для улучшения качества поверхности готовых изделий и модификации поверхности волокон для улучшения сцепления их с матрицей. Наиболее распространенным химическим веществом, используемым для уменьшения шероховатости поверхности, является ацетон. Напечатанное изделие погружается в раствор ацетона или обрабатывается горячим, или холодным паром. Внешняя поверхность изделия растворяется в ацетоне, шероховатость поверхности сглаживается, промежутки между слоями заполняются растворенным полимером. При затвердевании поверхность становится более гладкой.

Другим методом, который используется для улучшения качества поверхности изделий после FDM-печати, является лазерная обработка. Многочисленные эксперименты подтвердили, что облучение поверхности печатаемой детали С02-лазером уменьшает шероховатость поверхности. При обработке изделия С02-лазером материал быстро нагревается и плавится. Полимер сублимируется в процессе фотохимической абляции. Благодаря этому процессу происходит сглаживание поверхностных неровностей, а расплавленный полимер заполняет пустоты в поверхностных слоях, что способствует улучшению физико-механических свойств.

Ультразвуковая обработка (УЗО) - это все более широко применяемый процесс обработки изделий, который может применяться до, вовремя или по окончании печати для улучшения качества. Поскольку УЗО нехимический и нетермический процесс, он не оказывает неблагоприятного воздействия на конечный продукт. До настоящего времени было проведено несколько экспериментов по изучению воздействия ультразвука на печатные полимеры и композиты, в ходе которых было установлено, что, подавая ультразвуковую вибрацию во время печати, можно улучшить качество поверхности конечного продукта при одновременном снижении лестничного эффекта и уменьшении толщины слоя.

Очевидно, что большинство перечисленных методов направлено на улучшение качества поверхности готового изделия и не оказывает существенного влияния на физико-механические характеристики изделия в целом.

Одним из наиболее популярных методов, используемых для повышения прочности и качества поверхности изделий, полученных методом FDM-печати, является термическая постобработка, которая заключается в плавном нагреве материала до температуры стеклования или чуть выше, но ниже температуры плавления, выдержке при заданной температуре в течение определенного времени, а затем медленном остывании. Повторный нагрев и дли-

327

тельное охлаждение увеличивает количество кристаллических структур в полимере и перераспределяет напряжения внутри изделия, что приводит к повышению кристалличности и прочности.

Целью данной работы является разработка методики постобработки образцов, полученных методом FDM-печати, и исследование физико-механических свойств образцов после термической постобработки.

Методика экспериментальных исследований. В качестве материала для FDM-печати использовался АБС-пластик марки КЕС. Паспортные характеристики материала приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные свойства АБС-пластика марки REC__

Показатель Значение

Плотность, г/см3 1.05

Прочность на растяжение, МПа 29.6

Модуль упругости при растяжении вдоль слоев, ГПа 1.27

Прочность на изгиб, МПа 65.4

Модуль упругости на изгиб, ГПа 2.14

Прочность на сжатие, МПа 49.3

Модуль упругости на сжатие, ГПа 1.71

Диаметр нити для печати, мм 1.75

С целью выбора параметров печати и постобработки перед началом экспериментов определялись термические и реологические характеристики материала для печати. Термические характеристики измерялись с помощью дифференциального сканирующего калориметра SKZ1052F. Показатель текучести расплава измерялся на установке ПТР-ЛАБ-11 по ГОСТ 11645-2021 (температура - 230 °С, нагрузка - 5 кг).

Термические и реологические характеристики АБС-пластика, используемого для печати образцов, приведены в табл. 2.

Для проведения исследований механических свойств использовались тестовые образцы в форме лопаток в соответствии с ГОСТ 11262-2017 (рис. 3).

Печать образцов производилась на 3D-принтере Total Z AnyForm 500 PRO, основные параметры печати приведены в табл. 3.

Перед началом печати катушка с филаментом предварительно высушивалась при температуре 80 °C в течение 5 часов, для чего помещалась в вакуумный сушильный шкаф Labtex LT-V0/20. Затем катушка загружалась в принтер в бокс подачи и подогрева филамента.

Параметры печати были выбраны в соответствии с рекомендациями и с учетом характеристик заданного материала из базы данных принтера. Все образцы были напечатаны при ориентации, параллельной плоскости XY принтера. С учетом анализа имеющихся литературных данных [1-3, 6] для исследования анизотропии свойств было напечатано по 5 образцов с углами наклона растра 0 и 90° (рис. 4).

Таблица 2

Термические и реологические характеристики АБС-пластика марки REC_

Показатель Значение

Температура стеклования, °С 64.6

Температура кристаллизации, °С 130

Температура плавления, °С 230

Начальная температура деструкции, °С 360

Конечная температура деструкции, °С 441

Показатель текучести расплава, г/10 мин 9.89

170

109.3

80

Рис. 3. Чертеж образца для испытаний на растяжение по ГОСТ 11262-2017

Для сравнения механических характеристик было изготовлено 5 образцов методом литья под давлением. Для изготовления использовалась ручная литьевая машина РЛМ.

Рассматривались два метода постобработки: обработка в порошке №С1 и в закрытой пресс-форме с приложением давления. Использование соли в процессе постобработки позволяет уменьшить температурные деформации образцов. Применение давления позволяет увеличить адгезию между слоями за счет увеличения площади контакта.

Таблица 3

Параметры печати__

Температура печати, оС 235

Температура камеры, оС 105

Толщина слоя, мм 0.2

Угол наклона растра, о 0; 90

Скорость печати, мм/с 40

Количество слоев стенки 2

Количество слоев крышки 3

Количество слоев дна 3

Заполнение, % 100

^шпаг^ш п жат

1 ..............- 11||| :# ■ 1|| (У

¿г ч——

б

Рис. 4. Напечатанные образцы: а - образец с углом наклона растра 0°; б - образец с углом наклона растра 90°

Порошок, использованный в эксперименте, представлял собой измельченную поваренную соль №С1. Измельчение частиц порошка производилось на высокоскоростном смесителе LANHANG SHR-10A. Полученный порошок выдерживался при 200 °С в вакуумном сушильном шкафу Labtexт LT-VO/20 в течение 30 минут для удаления влаги, затем охлаждался на воздухе при комнатной температуре. Напечатанные образцы помещались на слой порошка внутри металлического контейнера (рис. 5,а), а затем покрывались дополнительным слоем порошка. Верхний слой утрамбовывался металлической пластиной (рис. 5,б). Упакованные образцы помещались в муфельную печь №ЬегШегт N 41/Н, предварительно разогретую до температуры 190 °С, что выше температуры стеклования, но ниже температуры плавления материала филамента (рис. 5, в). Контроль нагрева порошка внутри контейнера осуществлялся термощупом. При достижении температуры порошка 190 °С, запускался таймер печи. Образцы выдерживались при заданной температуре в течение 30 минут. После термообработки контейнер с образцами охлаждался при комнатной температуре.

1ИОк

в

Рис. 5. Термическая постобработка в порошке МаС1: а - образцы на слое порошка МаС1; б - контейнер с утрамбованным порошком; в - контейнер с образцами в муфельной печи

329

Для проведения экспериментов была спроектирована специальная пресс-форма, представляющая собой негативный отпечаток формы образца. Форма была изготовлена из алюминиевого сплава марки АД000 (ГОСТ 47842019). Образец помещался в гнездо формы (рис. 6,а), затем прижимался пластиной, по форме совпадающей с формой образца для испытаний (рис. 6,б). Масса пластины составляла 300 г. Таким образом, к образцу было приложено давление в 1.4 КПа. Форма с образцом помещалась в муфельную печь №ЬегШегт N 41/Н, предварительно разогретую до температуры 190 °С (рис. 6,в). Контроль нагрева формы осуществлялся термощупом. Как только температура формы достигала 190 °С, запускался таймер печи. Образцы выдерживались при заданной температуре в течение 30 минут. После термообработки пресс-форма с образцом охлаждалась при комнатной температуре.

в

Рис. 6. Термическая постобработка в форме с давлением: а - образец в форме; б - форма с приложенным

давлением; в - форма с образцом в муфельной печи

Были проведены исследования прочности на растяжение, пористости и деформаций в результате термической постобработки напечатанных образцов.

Исследования прочности на растяжение проводились на универсальной испытательной машине РЭМ50А_РЭ в соответствии с ГОСТ 11262-2017 по стандартной методике.

Исследования пористости проводились на основании определения плотности образцов. Для измерения плотности использовались гидростатические весы СЕ224-С. Плотность образцов определялась путем погружения их в рабочую жидкость с известным значением плотности р0. Сначала определялась масса образца А в воздушной среде, а затем - масса образца В в рабочей жидкости.

Плотность р образца рассчитывалась по формуле:

Р=^(Ро~Рь)+Рь, (1)

где р - плотность образца; А - масса образца в воздухе; В - масса образца в рабочей жидкости; р0 - плотность рабочей жидкости; рь - плотность воздуха (0,0012 г/см3).

Пористость Р рассчитывалась по формуле:

Р= р 100%, (2)

рр

где р - плотность филамента для печати, указанная в паспорте на материал; р - плотность напечатанных образцов, рассчитанная по формуле (2).

Деформации образцов в результате термической постобработки оценивались по изменению размеров в трех направлениях по сравнению с исходными образцами. Для этого на всех образцах до и после термической постобработки производились измерения длины L, ширины шейки W и высоты Н (рис. 7).

Измерения проводились с использованием электронного цифрового штангенциркуля (разрешение = 0.01 мм, точность = 0.03 мм).

Изменения размеров А рассчитывались по формулам:

Д1 =£Е£££1£о1ОО% (3)

1о

иъ

ДН = 100%,

где Ь0,Ш0,И0 и Ьpost,Wpost,Hpost- размеры образца до и после постобработки соответственно.

(4)

(5)

Рис. 7. Схема измерений образца

Результаты и обсуждение. На рис. 8 приведены кривые «напряжение - деформация» для образцов, подвергавшихся термической постобработке. Для сравнения приведены результаты испытаний контрольных образцов, не подвергавшихся постобработке, и образцов, полученных литьем под давлением.

Литые образцы .........В порошке ИаС1

--6 форме с давлением

Контрольные иОраииь:

Контрольные образцы В порошке МаС1 В форме с давлением Литые образцы

0 12 3 4

Перемещение, мм Перемещение, мм

а б

Рис. 8. Кривые «напряжение - деформация» для образцов после ГБМ-печати и термической постобработки

при различных углах наклона растра: а - 0°; б - 90°

Анализ кривых, приведенных на рис. 8, позволяет сделать следующие выводы. Термическая постобработка в порошке №С1 позволяет увеличить прочностные свойства образцов в среднем на 10-13 % в зависимости от угла наклона растра. Большее увеличение прочности наблюдается для образцов с углом наклона 0° (33.1 МПа по сравнению с 29.1 МПа для контрольных образцов без постобработки). При этом предел прочности на растяжение этих образцов сравним с пределом прочности образцов, полученных литьем под давлением (34.4 МПа). Для образцов с углом наклона 90° наблюдается незначительное увеличение прочности после постобработки в №С1 (рис. 8,а).

Постобработка в форме с давлением позволила увеличить прочностные свойства образцов в среднем на 25-40% по сравнению с контрольными. Причем увеличение предела прочности было более значительным для образцов с углом наклона 90° с 20.9 МПа до 30.7 МПа, что лишь на 12% меньше, чем у литых образцов (рис. 8,б).

Таким образом, с точки зрения улучшения механических характеристик, напечатанных образцов оба метода постобработки можно считать перспективными, однако, постобработка в форме с давлением дает лучшие результаты. Относительно небольшое улучшение прочностных свойств после термообработки свидетельствует о том, что АБС-пластик является плохо восприимчивым к данным методам постобработки.

На рис. 9 представлены результаты исследований пористости образцов, подвергавшихся термической постобработке. Для сравнения приведены результаты испытаний контрольных образцов, не подвергавшихся постобработке, и образцов, полученных литьем под давлением.

Как видно из рис. 9, заметное уменьшение пористости наблюдается у всех образцов, подвергнутых постобработке. Причем угол наклона растра не играет значительной роли в изменении величины пористости. Так, для всех образцов с углом наклона растра 0° пористость уменьшается на 52% при обработке в порошке №С1 и 75% при обработке в форме с давлением. Для образцов с углом наклона растра 90° - на 20% и 59% соответственно. Результаты исследований так же свидетельствуют о том, что наилучшие результаты с точки зрения сравнения с образцами, полученными литьем под давлением, достигаются при обработке в форме с давлением. Уменьшение пористости после постобработки можно объяснить заполнением межрастровых и межслойных пустот вследствие подплавления материала образца.

На рис. 10 представлены изменения размеров образцов в трех направлениях (см. рис. 7).

I 3 С 2

1

О

6.63

О ».90

3.12

3.42

4.28

'Ш&

1.72 1-77 ^

Mil_mû,_

1.14

В форме с В порошке МаС1 Контрольные Литые

давлением образцы

Рис 9. Пористость образцов после термической постобработки

•а

I 0 85

Щ 0.3

П I!

В форме с давлением ■ В порошке NaCI

3.7 3,7

-2.41

-282 -3.15

4.98

J

2.5 2

15 * 1

< 0.5

0 -0.5

1

10

В форме с давлением ■ В порошке NaCI

-15

35 30

-11 02

В форме о давлением ■ 5 порошке N301

-0.67

В форме с давлением ■ В порошке NaCI

5 65 638

ï | I

■ ■ -9.67

-10.63 ■ ■

-12.36 -12.23

В форме с давлением «В порошке NaCI

30.95 32 14

27 33 Ш H 2857

Li J i

-4.76

8 форме с давлением ■ В порошке NaCI б

Рис. 10. Изменения размеров образцов после постобработки: а - угол наклона растра 0°; б - угол наклона растра 90°

Анализ данных на рис. 10 показывает, что деформации образцов имеют место после постобработки как в порошке №С1, так и в форме с давлением. При этом большее изменение размеров по длине образца АЬ и ширине шейки АW (по осям X и Y соответственно) наблюдается после термообработки в порошке №С1 по сравнению с образцами, обработанными в форме с давлением. Это объясняется тем, что в форме образец зафиксирован в этих направлениях стенками формы. Однако для изменения высоты образца АН (по оси Z) наблюдается обратная тенденция - для образцов после обработки в форме с давлением АН либо превышает, либо сравнима с АН образцов после обработки в порошке. Это можно объяснить тем, что в этом направлении образец испытывает при обработке в форме максимальное давление.

Эти же тенденции наблюдаются и на фотографиях контрольных образцов и образцов после обработки различными методами, представленных на рис. 11.

а

¡1.

а б

Рис. 11. Образцы после постобработки (слева направо - контрольный образец, образец после обработки в NaCl, образец после обработки в форме с давлением): а - угол наклона растра 0°; б - угол наклона растра 90 °

Выводы. Проведенные исследования физико-механических свойств образцов из АБС-пластика, напечатанных методом FDM-печати и подвергнутых термической постобработке, показали, что применение термической постобработки после печати позволяет улучшить прочностные свойства и уменьшить пористость образцов. Однако значительные деформации образцов после постобработки являются недопустимыми для конкретных изделий. Таким образом, исходя из результатов проведенных исследований, дальнейшие работы целесообразно проводить в направлении разработки новых технологических приемов с целью минимизации деформаций образцов после термической постобработки.

Исследование выполнено при финансовой поддержке комитета Тульской области по науке и инноватике в рамках соглашения № 10 от 07.09.2022.

Список литературы

1. Khosravani M.R. On the post-processing of 3d-printed abs parts / M. R. Khosravani, J. Schuurmann, F. Berto, T. Reinicke // Polymers. 2021. V.13. №10. P. 1559.

2. Kumar S. Other solid deposition processes / S. Kumar, S. Kumar // Additive Manufacturing Processes. 2020.

P. 111-130.

3. Dave H.K., Davim J. P. (ed.). Fused deposition modeling based 3D printing. Cham: Springer International Publishing, 2021.

4. Wickramasinghe S. FDM-based 3D printing of polymer and associated composite: A review on mechanical properties, defects and treatments / S. Wickramasinghe, T. Do, P. Tran // Polymers. 2020. V. 12. №. 7. P. 1529.

5. Dave H.K., Davim J.P. (ed.). Fused deposition modeling based 3D printing. Cham: Springer International Publishing, 2021.

6. Dizon J.R.C. Post-processing of 3D-printed polymers / J.R.C. Dizon, C.C.L. Gache, H.M.S. Cascolan, L.T. Cancino, R.C. Advincula //Technologies. 2021. V. 9. №. 3. P. 61.

7. Хаширов А.С. Влияние технологических режимов FDM-печати на свойства изделий из полифенилен-сульфона и его композита с дискретным углеродным волокном: дис. - Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова, 2019.

8. Gao W. The status, challenges, and future of additive manufacturing in engineering / W. Gao, Y. Zhang, D. Ramanujan, K. Ramani, Y. Chen, C. B. Williams, P. D. Zavattieri // Computer-Aided Design. 2015. V. 69. P. 65-89.

9. Butt J. Investigating the effects of annealing on the mechanical properties of FFF-printed thermoplastics / J. Butt, R. Bhaskar //Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2020. V.4. №2. P. 38.

Гнидина Инна Вячеславовна, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории технологии полимерных материалов и композитов, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Волгин Владимир Мирович, д-р техн. наук, профессор, ведущих научных сотрудник лаборатории химии композиционных и углеродных материалов, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Малахо Артем Петрович, канд. хим. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет; Москва, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, УНИХИМТЕК,

Потапов Андрей Алексеевич, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории химии композиционных и углеродных материалов, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

333

THE EFFECT OF POST-TREATMENT ON THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF SAMPLES,MANUFACTURED BY FDM PRINTING

I.V. Gnidina, V.M. Volgin, A.P. Malakho, A.A. Potapov

The analysis of methods of post-treatment of samples after FDM printing is carried out. A method of thermal post-treatment of ABS plastic samples obtained by FDM printing has been developed. Experimental studies of tensile strength, porosity and deformations of samples after thermal post-treatment have been carried out. It is shown that thermal post-treatment makes it possible to improve the physical and mechanical properties ofparts obtained by FDM printing.

Key words: thermal post-processing, FDM-printing, ABS-plastic, tensile strength, porosity, deformation.

Gnidina Inna Vycheslavovna, candidate of technical science, docent, senior researcher, laboratory of technologies of polymer materials and composites, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Volgin Vladimir Mirovich, doctor of technical sciences, professor, leading researcher, laboratory of chemistry of composite and carbon materials, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Malakho Artem Petrovich, candidate of chemical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University; Moscow, Lomonosov Moscow State University, UNICHIMTEK,

Potapov Andrey Alekseevich, postgraduate, junior researcher, laboratory of chemistry of composite and carbon materials, potapov-kristall@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.9.025

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-334-335

СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЖЕНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ПЛАСТИН С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ

Ю.А. Темпель, Д.А. Сартакова, О.А. Темпель, М.О. Чернышов

Стойкость режущего инструмента при металлообработке во многом определяет трудоемкость и эффективность реализации технологического процесса изготовления детали. В связи со статистическими данными производства можно сделать вывод о недостаточной работоспособности пластин, на которую влияет большое количество факторов, в том числе режимы резания, силы резания, температурный фактор, обрабатываемый и инструментальный материалы. Одним из способов увеличения периода стойкости пластин является нанесение износостойких покрытий, которые находят все большее применение в инструментостроении. Статья посвящена определению оптимальных режимов резания и рациональному выбору износостойких покрытий на режущую пластину токарных резцов. Проведены исследования напряжённо-деформированного состояния при статическом и динамическом нагружении пластины в программном продукте Ansys, разработан алгоритм реализации выбора покрытия при определенных условиях и параметрах резания.

Ключевые слова: износ, стойкость, режущая пластина, резец, напряжённо-деформированное состояние, цифровые инструменты, силы резания.

В настоящее время невозможно обеспечить снижение издержек и повышения конкурентоспособности производства без использования современных технологий, оборудования, инструментов. Одним из путей подъема эффективности обработки резанием является переход с использования напайного режущего инструмента на сборный с механическим креплением сменных многогранных пластин (СМП) [1]. Результативность и эффективность применения режущей пластины зависит от ее стойкости при металлообработке. Критерием эффективности также является и вспомогательное время, необходимое на смену режущих пластин при их износе.

Стойкость режущего инструмента сложное понятие и фактически определить ее можно только натурными экспериментами. Но с появлением цифровых инструментов и технологий моделирования можно провести модельные эксперименты с учетом большого количества факторов и начальных данных.

Направлениями в области увеличения стойкости режущих инструментов являются изучение и изменение геометрии режущей пластины и использования вторичного ресурса, например, как представлено в работах [2,3,4]; применение износостойких покрытий, также исследование которых принимает широкое изучение сейчас, например, как в работах [5,6,7]; оптимизация режимов резания, исследование этой области, например, раскрыто в работах [8,9].

В связи с вышесказанным, целью работы является изучение износостойких покрытий на пластины токарных резцов и проведение статических и динамических исследований нагружения металлорежущих пластин при модельных экспериментах в Ansys.

Объектом исследования являются пластины токарных резцов.

Материал и методы исследования. Исследования основаны на теоретических положениях резания металлов, технологии машиностроения и инструментостроения. При проведении модельных экспериментов применялись методы моделирования и численных исследований в программной среде Ansys.

Результаты исследования и их обсуждения. При выборе износостойкого покрытия на режущий инструмент, целью результативности является обеспечение условия (1) (целевая функция исследования):

R=F(X)^mm, (1)

где R - показатель (критерий) результативности; F(X) - целевая функция, зависящая от фактора X; Х - фактор, влияющий на деформационные процессы режущей кромки.