Повышение качества деталей, изготавливаемых методом наплавления нитей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение качества деталей, изготавливаемых методом наплавления нитей

Легошин П.А., Митрофанов Д.В.

Аннотация

В статье представлен обзор параметров печати методом моделирования послойным наплавлением (FDM), влияющих на механические свойства готового изделия. Рассмотрены следующие параметры: толщина слоя, скорость печати, размерная точность, прочность на разрыв, рисунок заполнения, угол ориентации, температура печати, прочность на изгиб и удар, модуль Юнга, плотность заполнения и другие.

Ключевые слова: метод наплавления нитей, моделирование послойным наплавлением, аддитивное производство, аэрокосмическая промышленность.

Annotation

The paper presents an overview of fused deposition modeling (FDM) printing parameters affecting the mechanical properties of the end product. The following parameters were covered: layer thickness, printing speed, dimensional accuracy, tensile strength, filling pattern, orientation angle, printing temperature, bending and impact strength, Young's modulus, filling density and others.

Key words: fused filament fabrication, fused deposition modeling, additive manufacturing, aerospace industry.

Огромное влияние на проектирование и производство ракетных двигателей, в том числе камер сгорания и сопел, оказывает технология аддитивного производства (АМ) [1, с. 59.] Сравнение исследователями оценки жизненного цикла традиционного процесса литья по выплавляемым моделям с процессом AM позволило подчеркнуть достоинства последнего, состоящие в сокращении времени производственного цикла и стоимости обработки [2, с. 64].

Одной из разновидностей данной технологии является метод моделирования послойным наплавлением (FDM), или метод наплавления нитей (FFF) [3, с. 484; 4, с. 21], получивший широкое распространение в аэрокосмической промышленности, для которой важно достичь меньшей массы готовых изделий и сократить время их изготовления. К примеру, для изготовления прочных поликарбонатных соединительных кабелей тяжеловесного вертолёта Osprey с наклонным ротором производства Bell Helicopter потребовалось 42 модели трубопроводов, на изготовление которых было затрачено 2,5 суток. Если бы прототипы были изготовлены из литого алюминия, данный процесс длился бы 6 недель. Для отечественной ракеты - носителя «Союз-2» методом FDM в короткие сроки были изготовлены крепёжные элементы, кабельные каналы и защитные кожухи, также налажено производство деталей жидкостных ракетных двигателей (сопла, головки смесителя, вентили и форсунки) из металлических порошков (нержавеющая сталь, титан и никелевые сплавы).

Согласно технологии FDM, детали конструируются методом экструзии полимера через нагретое сопло и послойного нанесения расплавленного материала, который затем охлаждается и затвердевает, в результате чего получается печатная деталь, обладающая высокой прочностью и термостойкостью. Дополнительно задействуется материал поддержки, который наносится через второе сопло, а впоследствии удаляется с помощью постобработки [4, с. 21-22], включающей в себя помещение напечатанной детали в моющее средство для растворения опорной конструкции.

Здесь стоит отметить, что использование опорных конструкций в FDM- процессе делает его менее привлекательным по сравнению с технологией прямой лазерной наплавки (DED) [5, с. 35-37], которая позволяет изготавливать изделия со сложной геометрией без опорных конструкций: тонкостенные конструкции, перетяжка, внутренний канал и прочие компоненты ракетных установок [6, с. 19].

Рассмотрим основные технологические параметры печати FDM, влияющие на качество готового изделия:

1. Выбор оптимальной толщины слоя

1.1 Зависимость между толщиной слоя и скоростью печати детали

Изделие печатается слой за слоем, каждый из которых имеет свою толщину, напрямую связанную с временными затратами производственного процесса: по мере уменьшения толщины слоя количество слоёв, необходимых для завершения процесса, увеличивается, что приводит к увеличению затрат времени на изготовление изделия.

1.2. Зависимость между толщиной слоя и качеством поверхности, размерной точности изделия

Толщина слоя также влияет на качество поверхности и размерную точность детали: чем тоньше слой, тем выше качество поверхности и размерная точность детали. Однако существует предел, после которого уменьшение толщины слоя не приводит к значительному улучшению качества детали, а только увеличивает время печати и энергопотребление. Выбор оптимальной толщины слоя является важным технологическим параметром FDM.

1.3. Зависимость между толщиной слоя и прочностью детали

Прочность на разрыв (максимальное напряжение, которое выдерживается до разрыва) зависит от типа материала, его состава, структуры и способа обработки, от толщины слоя, рисунка заполнения, угла ориентации и температуры печати. Толщина слоя влияет на прочность на разрыв деталей по двум основным причинам: воздействие силы сцепления между слоями и воздействие напряжений внутри слоев. Сила сцепления между слоями определяет, насколько хорошо соединены слои материала. Чем выше сила сцепления, тем выше прочность на разрыв.

Сила сцепления зависит от температуры печати, скорости охлаждения и времени контакта между слоями. Чем выше температура печати и чем ниже скорость охлаждения и время контакта, тем выше сила сцепления. Толщина слоя влияет на эти параметры следующим образом: чем тоньше слой, тем ниже температура печати и тем выше скорость охлаждения и время контакта, что приводит к снижению силы сцепления и прочности на разрыв.

Напряжения внутри слоев возникают из-за неравномерного распределения тепла и деформации материала при печати. Напряжения могут быть сжимающими или растягивающими, в зависимости от направления деформации. Напряжения влияют на прочность на разрыв следующим образом: чем выше напряжения, тем ниже прочность на разрыв. Толщина слоя влияет на эти параметры следующим образом: чем тоньше слой, тем больше напряжений внутри слоев из -за большего количества границ между слоями и большей деформации материала при печати.

Следовательно, толщина слоя имеет противоположное влияние на прочность на разрыв через силу сцепления и напряжения внутри слоев. Существует оптимальная толщина слоя, при которой достигается максимальная прочность на разрыв. Оптимальная толщина слоя зависит от типа материала, его свойств и условий печати. Оптимальная толщина слоя для акрилонитрил-бутадиен-стирола (ABS) составляет около 0,2 мм, а для полилактида / полимолочной кислоты (PLA) - около 0,1 мм. ABS относится к группе термопластичных полимеров, он относительно лёгкий, с хорошей ударной вязкостью, непроницаемый для истирания и экономичный, пролимер удобен и прост в использовании, как и PLA - экологичный, биоразлагаемый полиэфир, на основе молочной кислоты.

2. Прочность на изгиб и удар

Характеристики, которые определяют, насколько материал сопротивляется разрушению под действием изгибающей или ударной нагрузки: (а) прочность на изгиб - максимальное напряжение, которое может выдержать материал, прежде чем он сломается под действием изгиба; (б) прочность на удар - максимальная энергия, которую может поглотить материал, прежде чем он разрушится под действием удара. Для FDM-деталей эти характеристики также зависят от направления нагрузки относительно слоёв материала: чем меньше угол между направлением нагрузки и слоями, тем выше прочность на изгиб и удар. Это объясняется тем, что при меньшем угле больше слоев работает на изгиб или удар, а при большем - на срез.

3. Модуль упругости и предел текучести Юнга

Характеристики, которые определяют, насколько материал деформируется под действием нагрузки: (а) модуль упругости Юнга - отношение напряжения к деформации в пределах упругости материала; (б) предел текучести Юнга - напряжение, при котором материал переходит из упругого состояния в пластическое.

Данные характеристики могут варьироваться в зависимости от ориентации, толщины печатного слоя и плоскости построения, присущим процессу FDM, зависят от направления нагрузки относительно слоев материала: чем больше угол между направлением нагрузки и слоями, тем выше модуль упругости и предел текучести Юнга. Это объясняется тем, что сила сцепления между слоями ниже силы сцепления внутри слоёв.

4. Плотность заполнения

Плотность заполнения (процент площади или объёма детали, который заполнен материалом) влияет на массу, жёсткость и прочность детали: чем выше плотность заполнения, тем выше эти показатели. Однако повышение плотности заполнения также повышает время печати и расход материала. Поэтому выбор оптимальной плотности заполнения является компромиссом между качеством и экономичностью детали.

Детали, напечатанные со 100%-ной плотностью заполнения, дают максимальный модуль упругости и предел текучести Юнга. При снижении плотности заполнения снижается прочность печатаемых деталей. Прочность на изгиб и удар максимальны при ориентации под углом 0°.

В заключении отметим, что параметры печати и постобработки оказывают существенное влияние на свойства компонентов, производимых методом FDM, следовательно, правильно подобранные и учтённые параметры позволяют значительно улучшить качество изделия. Следует также подчеркнуть необходимость изучения влияния различных парам етров процесса FDM на механические свойства полученных компонентов.

Использованные источники

послойное наплавление нить

1. Сергеев Н.А. Обзор материалов для аддитивного производства деталей ракетных двигателей // XXIII МНПК «Научные исследования молодых учёных». - Пенза, 12 мая 2023. - С. 59.

2. Макаров Я. Ю. Ремонт деталей ракетного двигателя методом LP -DED // XII МНПК «Новые научные исследования». - Пенза, 25 сентября 2023. - С. 64.

3. Козловский Л.Н., Барышев С.А. Моделирование послойным наплавлением: изготовление неметаллических деталей // Аллея науки. - 2023. - № 2 (77). - С. 484.

4. Макаров Я.Ю. Метод FDM: нюансы применения 3D-печати // XXIV МНПК «Научные исследования молодых учёных». - Пенза, 20 августа 2023. - С. 21-22.

5. Балыкин С.А., Росляков Е.Ю. Перспективен ли метод DED для ракетного двигателестроения? // XXIV МНПК «Научные исследования молодых учёных». - Пенза, 20 августа 2023. - С. 35-37.

6. Ванин Ю.В. Технология DED - аддитивное производство будущего // LXIII МНПК «Фундаментальные и прикладные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации». - Пенза, 15 февраля 2023. - С. 19.

Размещено на Allbest.ru