CC BY
2
Ryvkina Natalia Gennadievna, candidate of physical and mathematical sciences, researcher, [email protected], Russia, Moscow, MIREA — Russian University of Technology?
Chmutin Igor Anatolyevich, candidate of physical and mathematical sciences, leading researcher, chmutin@mirea. ru, Russia, Moscow, MIREA — Russian University of Technology,
Shmakova Natalia Sergeevna, candidate of technical sciences, researcher, [email protected], Russia, Moscow, MIREA — Russian University of Technology
УДК 621.77.07: 691.175
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-693-694
ВЫБОР РЕЖИМА 3D-ПЕЧАТИ ФОРМООБРАЗУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СВОЙСТВ ФОТОПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Н.И. Чередниченко, П.А. Петров, Б.Ю. Сапрыкин
В работе рассмотрено применение аддитивных технологий для изготовления формообразующего инструмента из фотополимерного светоотверждаемого материала. Выполнено экспериментальное исследование реологических свойств 9 композиций фотополимерного материала, характеризующихся различным сочетанием физико-механических параметров. Установлено влияние скорости сдвига и температуры нагрева на значение динамической вязкости для исследованных композиций фотополимерных материалов. В завершении статьи приводятся рекомендации о применении полученных результатов для последующего выбора режима LCD-печати, учитывая расширение ресурса работы SD-принтера, реализующего технологию «фотополимеризация в ванне».
Ключевые слова. формообразующий инструмент, фотополимер, ДСК-анализ тепловых свойств, 3D-печать, аддитивные технологии, динамическая вязкость, LCD-технология печати.
В аддитивном производстве выделилось направление - быстрое инструментальное производство [1] с применением аддитивных технологий. Быстрое инструментальное производство (rapid tooling) направленно на производство инструментов, инструментальных вставок, эталонов (калибров), штампов и пресс-форм [1]. Изготовление инструмента (оснастки) - один из самых дорогостоящих этапов подготовки производства. Компромисс между временем изготовления инструмента, его стоимостью, сроком службы и требуемой программой изготовления штампованных изделий позволяет применить аддитивные технологии и обеспечить экономический эффект.
Такой подход к изготовлению формообразующего инструмента требует обоснованного выбора аддитивной технологии и материала инструмента для обеспечения точности изготовления и требуемой партии штампованных изделий. В случае выполнения формообразующих операций с тонколистовым металлическим материалом, например, алюминиевыми сплавами толщиной до 0,3 мм, в качестве материала формообразующего инструмента может быть выбран светоотверждаемый фотополимерный материал. Инструмент из подобного материала изготавливается, например, по технологии LCD, которая является разновидностью аддитивной технологии «фотополимеризация в ванне» [9]. Для реализации LCD технологии применяется компактное настольное оборудование. Однако, ресурс такого оборудования не высок из-за не высокого ресурса работы компонентов: LCD-дисплей (матрица), пленка для резервуара, в котором хранится фотополимер при 3D-печати, плата управления.
Срок службы LCD-дисплея, являющимся источником света, составляет более 2000 часов, в отличие от DLP-источников света. Аддитивная технология «фотополимеризация в ванне» основана на засветке фотополимера, помещенного в резервуар, излучением определенной мощности и длины волны. При этом продолжительность засветки может меняться в зависимости от композиции фотополимера, сложности изготавливаемого изделия и износа источника света. Цель данной статьи проанализировать влияние физических, тепловых и реологических свойств фотополимеров на ресурс работы LCD-дисплея. Результаты анализа данного эффекта могут быть использованы для прогнозирования срока службы оборудования и, соответственно, расчета программы выпуска формообразующего инструмента.
Методика исследования. Определение тепловых свойств выполнено методом дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК) с применением прибора компании «Mettler Toledo» для образцов исходного фотополимерного материала, предназначенного для 3D-печати по аддитивной технологии LCD. По результатам испытания определена средняя температура стеклования, а также построена термограмма каждой из композиции исследуемых фотополимеров (смол). Режим проведения опыта по методу ДСК: нагрев в диапазоне 0 - 300 °С со скоростью 20К/мин в среде N2.
На рисунке 1 показаны термограммы исследуемых материалов, полученные методом ДСК. Диапазон исследуемых температур - от -120,0 °С до 100 °С. На рис. 1 стрелками показано направление экзотермического («эк-зо»; выделение тепла) и эндотермического («эндо»; поглощение тепла) эффекта. Характерным переходом, определяющим первый эффект, является кристаллизация. Характерными переходами, определяющими второй эффект, являются: 1) плавление; 2) переходы жидкая- кристаллическая фазы; 3) испарение; 4) переход стеклования. Диапазон температур, в котором наблюдается переход стеклования, составляет от -80,0 °С до -40,0 °С. Для смолы 8 при температуре 80,0-90,0 °С наблюдается пик кристаллизации. Для смол 1-7 и 9 в диапазоне температуры от 60,0 до 100,0 °С проявляется слабый пик плавления. Средняя температура стеклования исследуемых материалов приведены в табл. 1. Для каждой композиции имеется параметр вязкость, заданный производителем фотополимерной композиции.
Таблица 1
Характеристики материалов образцов_
Фотополимер Плотность, г/см3 Средняя температура стеклования, °С
образец 1 не определено -80,59
образец 2 1,1/1,184 -65,82
образец 3 1,05-1,25 -63,8
образец 4 1,10 -56,06
образец 5 1,05-1,25/1,05-1,25 -72,79
образец 6 1,1-1,2 -65,72
образец 7 1,2 ± 0,1 -54,63
образец 8 не определено -70,13
образец 9 1,05 -73,55
Температура исследуемого образца (Т5), [°С] Рис. 1. ДСК-диаграммы для образцов № 1-9 фотополимеров (смол)
В таблицах 2 и 3 представлены значения механических, тепловых и физических характеристик фотополимерных композиций. Указанные значения приводятся производителями образцов исследуемых материалов в технической спецификации на сайте либо в паспорте материала (Material Safety Data Sheet). Анализ собранных данных показывает, что есть характеристики, которые практически не отражены в спецификации, например усадка материала и температура термической деформации. Первый параметр важен для проектирования изделия, планируемого к изготовлению по аддитивной технологии «фотополимеризация в ванне». Второй параметр относится к эксплуатационным характеристикам изделия, изготовленного из фотополимерного материала.
Таблица 2
Механические и тепловые свойства образцов исследуемых композиций _
Фотополимер Твердость по Шору Предел прочности, МПа Относительное удлинение, % Усадка, % Температура термической деформации, °С
образец 1 60-75А 7,9 255,1 не определено* не определено*
образец 2 82-84D 36,0-45,0 11,0-20,0 3,72-4,24 50,0
образец 3 75-80D 29,0-34,0 не определено* 4,0-5,0 50,0
образец 4 75D 62,7 6,0 3,3 не определено*
образец 5 78-86D 22,89±10% 14.91±10% 3,72-4,24 не определено*
образец 6 80-90D не определено* 7,5-11,0 менее 1,0 не определено*
образец 7 96,0D ± 3 70,0 ± 5,0 4,1 ± 1,1 менее 0,5 не определено*
образец 8 74-78D 23,0 25,4 не определено* не определено*
образец 9 43D 13,0 212,0 0,9 180
Таблица 3
Физические свойства исследуемых образцов__
Фотополимер Плотность (в жидком состоянии либо в твердом состоянии) г/см3 Вязкость (динамическая) при температуре 25 °С, мПахс Длина волн излучения для отверждения, нм
образец 1 0,95-1,06 1250,0 385-405
образец 2 1,05-1,25 150-200,0 (до 280,0) 405
образец 3 1,18 450,0-600,0 390-410
образец 4 1,10 120,0-140,0 405
образец 5 1,05-1,25 100,0-350,0 405
образец 6 1,1-1,2 200,0 385-405
образец 7 1,2 ± 0,1 600-1200 405
образец 8 0,95-1,06 618,0 385-405
образец 9 1,05 667,0 385-410
Примечание: * - отсутствуют значения характеристики в паспорте фотополимера - Material Safety Data Sheet.
Исследуемые фотополимеры можно разделить на две группы по твердости, измеряемой по Шору: шкала А и шкала D (см. таблицу 2). В большинстве своем фотополимеры относятся к одной группе по критерию «твердость по Шору». Только «образец 1» имеет значение твердости, определяемое по шкале А - данный материал характеризуется достаточно высокой динамической вязкостью (см. таблица 2).
Все образцы исследуемых фотополимеров светоотверждаемы в диапазоне длины волны от 385 до 410 нм, что соответствует требованиям технологии LCD. Значение динамической вязкости определяется производителями по стандартной методике, описываемой в стандартах (ASTM D 2983, IP 267, ISO 9262, ГОСТ 1929, EN 13302, ПНСТ 6-2012), при температуре 23-25 °С. Для выбора рационального режима 3D-печати по технологии LCD, в соответствии с целью данной работы, рассмотрим взаимосвязь динамической вязкости фотополимера и температуры его нагрева.
Реологические свойства образцов исходных светоотверждаемых фотополимерных материалов исследовались методом ротационной реометрии. Исследование проведено в режиме сдвигового деформирования с применением реометра «Physica MCR301» («Anton Paar»; компания «Аврора», г. Москва). Рабочий узел конус-плоскость с диаметром конуса 50 мм (угол между образующей конуса и плоскостью 1°). Испытания проводили в условиях стационарного течения по двум режимам:
1) в режиме контролируемой скорости сдвига при постоянной температуре 25°C;
2) в режиме сканирования по температуре в диапазоне 25-95°C (скорость нагрева 2 град/мин, скорость сдвига 5 с-1).
На рисунке 2 представлена для различных композиций исследуемых фотополимеров (см. таблицу 1) зависимость динамической вязкости от скорости сдвига при температуре 25°C; в таблице 4 - значения сдвиговой вязкости для образцов различных фотополимерных композиций.
с (Г
fm»
—■—Смола 1 Смола 2 I Смола 3 —Ж—Смола 4 -О—Смола 5 й Смола б —0—1. ллола 7 -й—Смола 8 —~—< У1пп 9
0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1 000,00 Скорость сдвига у, с"1
Рис. 2. Зависимость динамической вязкоспш фотополимера (смолы) для ЗБ-печапш от скороспш сдвига
при Т=25°С
Значения динамической вязкости исследуемых образцов при Т=25°С и скорости сдвига 5 с-1
Таблица 4
Фотополимер Вязкость (динамическая), мПахс
смола 1 1200,0
смола 2 134,0
смола 3 369,0
смола 4 258,0
смола 5 126,0
смола 6 153,0
смола 7 745,0 (при 100 с-1)
смола 8 630,0
смола 9 854,0
Значение динамической вязкости на рисунке 2 и на рисунке 3 показаны в логарифмической шкале. Образцы 1-6, 8 и 9 проявляют поведение, характерное для ньютоновских жидкостей - практически линейная зависимость вязкости от скорости сдвига. Вязкость остаётся постоянной в широкой области приложенных сдвиговых скоростей. Образец 7 в области низких скоростей сдвига демонстрируют неньютоновское поведение, характерное для дисперсий. Зафиксирован предел текучести в области напряжений 5.. .10 Па (при 25°C).
Как было изучено ранее [10], скорость 3D-печати фотополимерного материала напрямую зависит от его вязкости. Так, вещество с наименьшей вязкостью из изучаемых (126,0 мПахс) требует для полимеризации засветки в течение 2,3 с; образец фотополимера с наибольшей вязкостью (1200,0 мПахс) полимеризуется при воздействии на него излучением с длиной волны 405нм в течение 10 с; образец №7 полимеризуется за 3,8 с. В зависимости от вязкости фотополимера могут быть подобраны различные режимы 3D-печати таким образом, чтобы минимизировать износ оборудования - LCD- дисплея.
При печати образцом смолы №5 (толщиной слоя 50 мкм), для изготовления детали высотой 165 мм (максимальная рабочая зона принтера «Anycubic Photon mono», на котором проводились испытания) потребуется работа LCD-дисплея в течение 7590 секунд, или 126,5 мин (чуть более 2 часов).
Для создания аналогичной модели из образца смолы №1 потребуется 33000 секунд работы LCD-дисплея или 550 мин, что соответствует 9 часам 10 минутам. Ресурс LCD-дисплея выработается для каждого фотополимера
спустя различное время. Так, при печати образцом смолы №5 SD-принтер позволит изготовить более 1000 объектов (максимальной высотой 165 мм) до выхода из строя; при печати образцом смолы №1 - 222 объекта.
Для увеличения срока службы LCD-дисплея при использовании фотополимерных материалов аналогичных образцу смолы №1 необходимо уменьшать вязкость применяемых материала. Помимо зависимости от скорости сдвига, динамическая вязкость исследуемых образцов зависит от температуры материала (рисунок 3). Наблюдается уменьшение вязкости с ростом температуры нагрева. Как следует из графиков на рисунке 3 температурная зависимость носит нелинейный характер.
20,00 45,00 70,00 9 5,00
Температура, °С
Рис. 3. Температурная зависимость динамической вязкости образцов: постоянная скорость сдвига 5 с'1
(образец 1-6, 8, 9) и 100 с-1 (образец 7)
Значение динамической вязкости образца смолы №1 при его нагреве до 40°C снижается до значения вязкости образца смолы №5 при температуре 25°C. Отсюда следует, что при нагреве рабочей области 3D-принтера можно полимеризовать светоотверждаемый материал, характеризуемый высокой динамической вязкостью при температуре 25°C, в 4-5 раз быстрее. Следовательно, ресурс работы устройства (LCD-дисплея), необходимого для излучения света (УФ-излучения), окажется выше. Однако, есть неочевидное ограничение - при нагреве светоотверждае-мого фотополимера выше 60°C материал осуществляет переход к стеклообразному состоянию (происходит деформация структуры вещества).
Выводы и заключение. Проведенное исследование и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1) физико-механические и реологические свойства каждый светоотверждаемый фотополимер для LCD технологии 3D-печати имеют диапазон допустимых значений (см. таблицу 1-3);
2) при производстве значения свойств каждой композиции фотополимера характеризуются определенными значениями (см. таблица 4), например, динамическая вязкость имеет абсолютное значение сопоставимое с допустимым диапазоном значений;
3) ресурс работы отдельных компонент LCD 3D-принтера может быть увеличен за счет управления реологическими свойствами фотополимера при его 3D-печати - изменение температуры смолы в процессе обработки;
4) в полученных результатах (см. рисунки 2 и 3) проявляется зависимость динамической вязкости фотополимера не только от скорости сдвига, но также и от температуры обрабатываемого материала, так, например, смола №1 при температуре нагрева 40°C или смола №7 при температуре 53-55°C ведет себя практически также, как смола №5 при температуре 25°C;
5) полученные зависимости динамической вязкости от температуры могут быть рекомендованы для выбора температуры нагрева рабочей области 3D-печати по LCD-технологии при изготовлении формообразующего инструмента из светоотверждаемых фотополимерных композиций со значением динамической вязкости более 500 мПахс; смолы подобные образцу №7 или №8 характеризуются не только высоким значением вязкости при температуре 25°C (см. таблицу 3), но и значением твердости - более 70D по шкале Шора.
Список литературы
1. A. Gebhardt, J.-S. Hötter. Rapid Tooling. In: Additive Manufacturing 3D Printing for Prototyping and Manufacturing. München: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2016 - pp. 353-394 https://doi.org/10.3139/9781569905838.
2. T. Himmer, T. Nakagawa, N. Mohri: "Rapid Die Manufacturing System", Proceedings of the 7th European Conference on Rapid Prototyping and Manufacturing, 1998.
3. T. Himmer, A. Techel, S. Nowotny, E. Beyer. Recent developments in metal laminated tooling by multiple laser processing. // Rapid Prototyping Journal, 2003, Vol. 9 Issue: 1, pp.24-29.
4. Петров П.А., Бурлаков И.А., Сапрыкин Б.Ю. Аддитивные технологии в металлообработке // Кузнец -всем ремеслам отец. сборник материалов I Международной научно-практической конференции (в рамках Международного кузнечного фестиваля «Секреты средневековых кузнецов»). М., 2023. С. 34-44.
5. 27. Gajdos I.; Mankova I.;Jachowicz T. and Tor-Swiatek A.: Application of Rapid Tooling approach in process of thermoforming mold production. Paper 32 Proceedings of 8th International Engineering Symposium at Banki [PDF] (ISBN: 978-615-5460-95-1), 2016,
6. L B Aksenov and I Y Kononov 3D Printed Plastic Tool for Al Thin-Sheet Forming. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 337 (2019) 012053. doi:10.1088/1755-1315/337/1/012053.
7. Nader Asnafi, Jukka Rajalampi, David Aspenbergro Design and Validation of 3D-Printed Tools for Stamping of DP600. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 651 (2019) 012010, doi:10.1088/1757-899X/651/1/012010.
8. Günther Schuh, Georg Bergweiler, Philipp Bickendorf, Falko Fiedler, Can Colag. Sheet Metal Forming Using Additively Manufactured Polymer Tools. Procedia CIRP 93 (2020) 20-25.
9. ГОСТ Р 57589-2017. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 2. Материалы для аддитивных технологических процессов. Общие требования.
10. Чередниченко Н.И., Петров П.А. Определение зависимости параметров трехмерной печати от композиции фотополимерного материала. // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2022. Т. 9. № 1. С. 38.
Чередниченко Наталья Ивановна, магистрант, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Сапрыкин Борис Юрьевич, старший преподаватель, [email protected]. Россия, Москва, Московский политехнический университет
SELECTION OF THE 3D-PRINTING MODE OF A FORMING TOOL BASED ON THE ANALYSIS OF THE PROPERTIES
OF PHOTOPOLYMER MATERIALS
N.I. Cherednichenko, P.A. Petrov, B.Yu. Saprykin
The paper discusses the use of additive technologies for the manufacture of shaping tools from photopolymer light-curing material. An experimental study of the rheological properties of 9 compositions ofphotopolymer material, characterized by different combinations ofphysical and mechanical parameters, was carried out. The influence of shear rate and heating temperature on the value of dynamic viscosity for the studied compositions of photopolymer materials has been established. At the end of the article, recommendations are given on the use of the obtained results for the subsequent selection of the LCD printing mode, taking into account the expansion of the operating life of a 3D printer that implements the "pho-topolymerization in a bath " technology.
Key words: forming tool, photopolymer, DSC-analysis of heat properties of photopolymer, 3D-printing, additive technologies, VATphotopolymerization, dynamic viscosity, LCD-printing technology.
Cherednichenko Natalia Ivanovna, Undergraduate, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, petrov [email protected], Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Saprykin Boris Yuryevich, senior lecturer, saprykin-boris@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic
University
УДК 621.833
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-697-698
АНАЛИЗ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ АВИАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
А.П. Пястолов, Д.И. Сагитов
Рассмотрены различные классификации исследования работоспособности электрических систем воздушных судов, изложено введение в устройство элементов бортового радиоэлектронного оборудования с использованием схем, представлены локальные центры управления нагрузками на самолёте.
Ключевые слова: авиационная индустрия, системы авиационного оборудования, система электроснабжения самолёта, системы модулей питания.
Современное развитие авиационной индустрии характеризуется усилением технической сложности бортового авиационного оборудования, эксплуатации, а также внедрением передовых интеллектуальных систем электроснабжения в новых видах воздушных судов, в том числе в беспилотных летательных аппаратах. Научные исследования также направлены на создание полностью электрических летательных аппаратов. Однако это сопровождается повышенной вероятностью сбоев в полете, обусловленной увеличением нагрузки на систему электроснабжения.
Несмотря на это, необходимо обеспечивать высокий уровень безопасности полетов, регулярность перевозок и экономическую эффективность. Настоящее исследование направлено на создание визуальной картины сложности исследования поломок в системах электроснабжения самолёта.
Построение системы контроля в авиационном оборудовании может зависеть от нескольких факторов. Во-первых, в своем составе она должна иметь встроенные средства самодиагностики. Во-вторых, для разработки такой системы требуется задача дополнительных алгоритмов проверки авиационного оборудования до включения его в работу. Исходя из этого, следует отметить, что обеспечение авиационного оборудования дополнительными средствами встроенного и расширенного контроля выполняется изготовителем на этапе проектирования данного оборудования с учетом включения новых функций в аппаратно-программный комплекс.
