Moscow, Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
VAC 2.9.3 Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
UDK 621.763 Процессы, подобные порошковой металлургии. Изготовление волокон, гранул, композитных материалов
BBK 391 Общие вопросы транспорта
The possibility of using glass- and carbon-filled thermoplastics for manufacturing body parts of electronic equipment by means of additive generation of geometry is studied. The study objective is to find a method for manufacturing complex profile surfaces, to reduce the labor intensity of manufacturing body parts of electronic equipment, to improve the efficiency of repair of rolling stock wheel sets. The task to which the paper is devoted is the expediency of using carbon- and glass-filled thermoplastics for manufacturing body parts. The main method of research is experiment. The novelty of the work is that the possibility of using carbon- and glass-filled thermoplastics for manufacturing body parts is found and studied. Research results: the expediency and efficiency of using glass- and carbon-filled thermoplastics for manufacturing body parts of electronic equipment by means of additive generation of geometry is found empirically. Conclusion: the use of additive generation of geometry contributes to reducing the complexity of manufacturing body parts of electronic equipment. The possibility of using glass- and carbon-filled thermoplastics in the production of parts for transport systems is proved.
additive technologies, 3D printing, Fused Deposition Modeling(FDM), carbon- and glass-filled thermoplastics
Введение
Корпусные детали применяются врадиоэлектронной аппаратуре транспортных систем. Они предназначены для размещения составных частей аппаратуры, построенных по модульному принципу, габариты которых стандартизированы и к ним предъявляется ряд жестких требований [3]. Также несущие конструкции, состоящие из корпусных деталей, предназначены для обеспечения:
- конструктивной совместимости;
- размерной взаимозаменяемости по габаритам и монтажным размерам (фиксирующие отверстия, контуры и т.д.) электронных модулей;
- рационального использования площади и объёма носителей;
- технологичности конструкции [3].
В основном корпусные детали радиоэлектронной аппаратуры транспортных систем изготавливаются из легких алюминиевых сплавов (АМг6, АМг3), дюралюминиевых сплавов (Д16, Д16Т), а также из титановых сплавов (ВТ1-0, ВТ6). При изготовлении несущих конструкций из алюминиевых сплавов традиционными методами механической обработки возникают некоторые сложности.
Высокие скорости резания вызывают возникновение высоких температур в зоне резания. Если температура повышается до такой степени, что материал обрабатываемого изделия становится пастообразным, то он начинает вытесняться из контактной зоны. Затем этот материал затвердевает и образует «фальшивую стружку». «Фальшивая стружка» обычно накапливается на режущих кромках инструмента. Поскольку «фальшивая стружка» и обрабатываемое изделие находятся в контакте друг с другом, то поверхность обрабатываемого изделия повреждается [4, 9].
Также форма корпусных деталей с каждым годом становится все сложнее, и сложнее и требует специальных навыков от оператора станков с ЧПУ, иногда и вовсе становясь невозможной при изготовлении традиционными методами механической обработки. Трудоёмкость изготовления такой детали достаточно высока.
С учетом вышеизложенных сложностей, связанных с обработкой сложнопрофильных поверхностей или тонкостенных («ажурных») деталей была предпринята попытка изготовления их альтернативными методами, а именно, с применением аддитивных технологий.
Изготовление корпусных деталей
Изготовление несущих конструкций по аддитивным технологиям происходило с использование самодельного или кастумного 3D-принтера. Принтер работает по технологии FDM [9] (принципиальная схема представлен на рисунке 5).
Изготовление прототипов из легкоплавких материалов по технологии FDM заключается в том, что прутковый материал (термопластик) в специальной камере нагревают до температуры размягчения (точность поддержания температуры не ниже ±1⁰С) и продавливают через фильеру диаметром 50 – 200мкм. Фильера перемещается в горизонтальной плоскости по заданной программе, нанося выдавливаемую “нить” на предыдущий слой. Платформа опускается на толщину одного слоя, и процесс повторяется. Слои наращиваются один за другим, вплоть до завершения построения модели с необходимыми поддержками (вспомогательными конструкциями, подлежащими дальнейшему удалению) [5, 6, 10].
Двойной экструдер системы имеет два сопла [6, 7]. Одно сопло подает компоновочный материал с катушки, а другое –легко удаляемый материал поддержки (например, воск), необходимый для формирования сложных составных объектов, с другой катушки [11, 8].
Рис. 1. Принципиальнаясхематехнологии FusedDepositionModeling(FDM)
Fig. 1. Schematic diagram of the technology Fused Deposition Modeling (FDM)
В качестве модельного материала используются такие типы пластиков, как ABS, PLA, HIPS, TOTAL, PRO AerotexFlex [1]. Выбор расходного материала зависит от характеристик, предъявляемых к будущему изделию. Технические характеристики зависят от производителей данного материала, так как часто их смешивают с другими термопластиками, которые влияют на температуру экструзии, устойчивость к некоторым растворителям.
Первые экспериментальные образцы были изготовлены из АBSи PLAпластиков. Путем применения органолептических методов исследований прочностных свойств конструкции из АBSи PLAпластиков было доказано, что из-за низкой прочности их дальнейшее использование нецелесообразно.
В конечном итоге, после анализа характеристик наиболее распространенных отечественных материалов, предлагаемых на рынке в открытом доступе, в качестве модельного материала для выращивания корпусных деталей были выбраны 4 вида пластика, которые армированы при помощи стекла и углеволокна: TITAN GF-12, ABS GF-8, TOTAL GF-30, PRO Aerotex. Физико-технические свойства вышеперечисленных материалов приведены в таблице [1].
Из характеристик, приведенных в сводной таблице, может сложится впечатление, что эти четыре пластика, близки по своим свойствам. Однако это не совсем так.
По данным производителя:
- пластик TITAN GF-12 является конструкционным композитом на основе пластика ABS, армированного рубленным стекловолокном, содержание которого составляет около12% [1];
- ABS GF-8 композит на основе ABS представляет собой смесь акрилонитрилбутадиенстирола и полиамида PA6с добавлением 8% стекловолокна; указанный материал подходит для печати конечных изделий, где требуется высокая ударопрочность и стойкость к ультрафиолету [1];
- TOTAL GF-30 ударопрочный стеклонаполненный (30%) композит на основе полиамида для печати крупных шестерён, прочных корпусов, механически нагруженных деталей, аэродинамических обвесов для автомобилей [1];
- PRO Aerotex – наполненныйуглеволокном твердый и легкий композит (с удельным весом до 0,82г/см3); предназначен, в первую очередь, для печати элементов несущих конструкций [1].
Как видно из описания, все пластики подходят для печати корпусов и несущих конструкций и обладают нужными свойствами, предъявляемым к корпусным деталям.
Таблица
Физико-технические свойства термопластиков
Table
Physical and technical properties of thermoplastics
|
Параметр сравнения |
TITAN GF-12 |
ABS GF-8 |
TOTAL GF-30 |
PRO Aerotex |
|
Температура сопла, °С |
260-290 |
220-250 |
230-250 |
230-250 |
|
Температура стола, °С |
100-110 |
100-105 |
60-100 |
105 |
|
Скорость печати, мм/с |
до 100 |
до 80 |
до 60 |
до 90 |
|
Диаметр сопла, мм |
от 0.4 |
от 0.4 |
от 0.4 |
от 0.4 |
|
Теплостойкость (min/max), °С |
от -50 до +110 |
от -50 до +120 |
от -50 до +130 |
от -50 до +130 |
|
Относительное удлинение при разрыве, % |
3 |
6-12 |
25 |
3.6 |
|
Модуль упругости при растяжении, ГПа |
~4,5 |
~3,1 |
3 |
2,4 |
|
Максимальная прочность при разрыве, МПа |
~60 |
55 |
90 |
51 |
|
Температура размягчения, °C |
118 |
118 |
130 |
130 |
|
Плотность, гр/см3 |
1.16 |
1.12 |
1.45 |
0.819 |
|
Усадка при изготовлении изделий, % |
0.2 - 0.3 |
0.3 - 0.5 |
0.2 - 0.8 |
0.5-1 |
Все выбранные типы пластика могут быть напечатаны минимальным диаметром печатающего сопла 0,4 мм. В основном сопла для 3D принтера изготавливаются либо из латуни, либо из стали в случае, когдапластик абразивен. В проведенных экспериментах применялись сопла из нержавеющей стали, так как все выше выбранные пластики имеют в своем составе стекло- или угленаполнитель, которые абразивны.
Подготовка к печати производилась с использованием слайсера Cura 15.04.02 (рис. 2). Эта программное обеспечение было создано Дэвидом Брэмом. Cura изначально являлось стандартным ПО для всех 3D-принтеров компании Ultimaker, но сегодня её можно использовать и с большинством моделей других производителей [2]. С использованием указанного ПО производилось распределение деталей в рабочем объеме 3D-принтера и расстановка поддерживающих конструкций. Скорость печати и толщина слоя при изготовлении из разных материалов были одинаковыми и составляли 40 мм/с и 0,15 мм соответственно. Температура же сопла при печати была всегда разная в зависимости от рекомендаций по каждому материалу и варьировалась от 230 до 275 0С.
Рис. 2. Пример настройки печати и расположения объектов в виртуальной камере построения
Fig. 2. Example of printing settings and the location of objects in a virtual camera
Процесс печати показал некоторые особенности каждого из материалов. Нить угленаполненных пластиков AerotexPRO и TITAN GF-12 имела свойство ломаться при разматывании из катушки и подаче прутка в экструдер, что создавало довольно много проблем при печати. Поэтому при выборе таких пластиков к производителю должен предъявляться ряд требований к отсутствию перехлестов в намотке катушки, хранению в вакуумной упаковке и предварительному просушиванию перед использованием. Только тогда можно добиться качественных деталей и относительно быстрой печати. У стеклонаполненных материалов TOTAL GF-30 и ABS GF-8 во время печати происходил процесс «подтекания» из сопла, что вызывало образование «волосистости» детали, это хорошо видно на рис. 3.
После печати происходил процесс постобработки изделий (рис. 4), заключающийся в удалении поддержек там, где они были необходимы при печати (например, в отверстиях), и в слесарных работах по нарезанию резьб.
Далее была произведена сборка несущей конструкции электронной аппаратуры транспортной системы (рис. 5), входе которой стало понятно, что применение в качестве основного материала корпусных деталей TOTAL GF-30 невозможно из-за большого модуля упругости, что приводило к большому прогибу материала даже при незначительных механических воздействиях (ударное ускорение в 5g), что недопустимо для несущей конструкции. Также плохо себя проявил материал AerotexPRO, так как детали обладали повышенной ломкостью, даже на стадии предварительных испытаний (ударное ускорение 5g).
Рис. 3. Детали после печати из TOTAL GF-30
Fig. 3. Details after printingfrom TOTAL GF-30
а) б)
Рис. 4. Деталь(и): а – с поддержками; б –после постобработки
Fig. 4 Details: а – with support; б –after post-processing
Рис. 5. Корпуса из TITAN GF-12 и ABS GF-8
Fig. 5. Casing from TITAN GF-12 and ABS GF-8
Материалы TITANGF-12 и ABSGF-8 показали себя лучше уже на стадии предварительных испытаний. Прогиб не превышал 1 мм при ударном ускорении в 5g, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к корпусным деталям транспортных систем.
Далее была произведена окончательная сборка блока радиоаппаратуры транспортной системы с установкой печатных плат и электронных радиоэлементов (ЭРИ) в корпуса изготовленных из материалов TITANGF-12 и ABSGF-8 и произведены комплексные испытания. Данные корпуса в составе блоков прошли испытания на стойкость к ударным нагрузкам в 450 м/с2(45g), стойкость к вибрации в трех взаимно перпендикулярных направлениях с частотой от 5-1500 Гц и амплитудой 10мм.С начала данные испытания проводились в нормальных условиях, а после при повышенной температуре +55°C и пониженной температуре - 45° C, а также при повышенной влажности 90%. Данные испытания корпуса в составе блоков радиоэлектронной аппаратуры транспортных систем прошли успешно.
Если учитывать усадку, возникающую после остывания в конце печати, можно получить годные по размеру детали.
В дальнейшем целесообразно провести дополнительные исследования по возможности нанесения покрытий на изделия из указанных типов термопластиков, с целью определения степени влияния их гидрофобности (обусловленной наличием в их составе угле- и стеклопластика) на свойства долговечности конченых изделий.
Заключение
В результате проведенных исследований подтвердилось предположение о возможности существенного снижения трудоемкости изготовлениякорпусных деталей электронной аппаратуры транспортных системблагодаря использованию аддитивных технологий. Трудоёмкость по сравнению с традиционными методами обработкиснижается почти в 2 раза. Кроме того, благодаря послойному методу выращивания готовых изделий метод аддитивного производства практически не имеет ограничений в части воспроизведения самых геометрически сложных конструкций.
Эмпирическим методом было доказана возможность применения угле- и стеклонаполненых материалов для изготовления корпусных деталей радиоэлектронной аппаратуры транспортных систем.
1. Official website of Filamentarno [Internet]. [cited 2021]. Available from: http://filamentarno.ru .
2. Official website of Ultimaker [Internet]. [cited 2021]. Available from: http://Ultimaker.com
3. GOST R 51623-2000. Basic bearing structures of radioelectronic devices. System of construction and coordination measures. Moscow: Publishing House of Standards; 2000.
4. Dalsky AM. Technology of structural materials. Moscow: Mashinostroenie; 2004.
5. Zlenko MA, Zabednov PV. Additive technologies in experimental foundry production. Technologies for casting metals and plastics using synthesis models and synthesis forms. Metallurgiya Mashinostroeniya. 2013;3:43-48.
6. Gusev DV. Improving the quality indicators of manufactured products when using rapid prototyping [dissertation]. [Ulyanovsk (RF)] Ulyanovsk State Technical University; 2019.
7. Kulikov MYu, Larionov MA, Gusev DV. On the interaction of the roughness of the surface of prototyped samples with the conditions of their basing during manufacture. Scholarly Notes of Komsomolsk-on-Amur State Technical University. 2016;1(25):88-92.
8. Gibson Ya, Rosen D, Stacker B. Additive manufacturing technologies. Three-dimensional printing, rapid prototyping and direct digital production. Moscow: Technosphera; 2016.
