eng
Выпуск #1/2023
П. А. Петров, И. А. Бурлаков, П. А. Полшков, М. А. Чибизов, Б. Ю. Сапрыкин
Повышение прочности формообразующего инструмента из полилактида PLA методом закалки
Повышение прочности формообразующего инструмента из полилактида PLA методом закалки
Просмотры: 893
DOI: 10.22184/2499-9407.2023.30.1.58.65
Приведены результаты исследований комплекса свойств термопластичного полимера – полилактида (PLA), на основании которых выбран режим 3D-печати формообразующего инструмента, применяемого для пространственной гибки стальных труб малого диаметра. Определен оптимальный режим закалки, обеспечивающий лучший комплекс механических свойств инструмента.
Приведены результаты исследований комплекса свойств термопластичного полимера – полилактида (PLA), на основании которых выбран режим 3D-печати формообразующего инструмента, применяемого для пространственной гибки стальных труб малого диаметра. Определен оптимальный режим закалки, обеспечивающий лучший комплекс механических свойств инструмента.
Теги: 3d-printing 3d-печать additive technologies fff extrusion technology hardening polylactide pla thermograms tool tool resistance tube bending аддитивные технологии гибка труб закалка инструмент полилактид pla стойкость инструмента термограммы экструзионная технология fff
Повышение прочности формообразующего инструмента из полилактида PLA методом закалки
П. А. Петров, И. А. Бурлаков, П. А. Полшков, М. А. Чибизов, Б. Ю. Сапрыкин
Приведены результаты исследований комплекса свойств термопластичного полимера – полилактида (PLA), на основании которых выбран режим 3D-печати формообразующего инструмента, применяемого для пространственной гибки стальных труб малого диаметра. Определен оптимальный режим закалки, обеспечивающий лучший комплекс механических свойств инструмента.
Трубы газотурбинных двигателей, изготавливаемые из стали типа 12Х18Н10Т и титанового сплава ПТ‑7М, имеют, как правило, сложную пространственную форму с большим количеством изгибов разных радиусов и углов гибки. Для реализации формообразующих операций применяют трубогибочные автоматы (рис. 1).
Заготовки в процессе гибки металлическим инструментом подвергаются значительным нагрузкам, которые приводят к образованию дефектов в виде складок и вмятин (рис. 2) [1–3]. Изготовление металлического инструмента характеризуется также высокой трудоемкостью и высокой стоимостью.
Применение трубогибочного инструмента из полимеров снижает возможность образования дефектов в виде вмятин, также значительно снижается трудоемкость изготовления инструмента за счет высокопроизводительного, по сравнению с изготовлением оснастки из металла, процесса 3D-печати, что особенно важно при отработке новых изделий и необходимости выпуска трубных заготовок небольшими партиями (100–500 единиц).
В этой связи возрастает роль разработок, направленных на повышение эксплуатационных свойств применяемых конструкционных термопластичных полимерных материалов. Поэтому проблема определения рациональных режимов закалки для повышения стойкости формообразующего инструмента является актуальной.
Цель работы
Целью данной работы является повышение эффективности процесса автоматизированной гибки труб путем применения инструмента из полилактида PLA. Для ее достижения необходимо:
выбрать высокопрочный полилактид для изготовления инструмента;
изучить его свойства путем испытания образцов на сжатие и растяжение;
изучить возможность повышения прочностных свойств методом закалки;
определить рациональный режим термической обработки;
изготовить по экструзионной технологии FFF (Fused Filament Fabrication) формообразующий инструмент и выполнить его термическую обработку;
испытать стойкость инструмента при изготовлении серии деталей.
Методика выполнения работы
Был выбран полилактид PLA фирмы ESUN, обладающий более высокими механическими характеристиками по сравнению с типовым полилактидом PLA. Анализ механических свойств для разных режимов обработки проводили на образцах, полученных методом 3D-печати, в процессе испытаний на сжатие и растяжение. Образцы изготавливались на принтере Raise 3D Pro2 Plus (рис. 3). Характеристики пластика PLA ESUN представлены в табл. 1.
Осадку цилиндрических образцов диаметром и высотой 10 мм выполняли на испытательной машине модели LFM50 со скоростью 2 мм/мин. Образцы на растяжение, изготовленные согласно ГОСТ 33693‑2015 [4] – уменьшенного масштаба (тип А12) (рис. 3), были испытаны на установке Tinius Olsen 50ST двухколонного типа с максимальной нагрузкой 50 кН (5 000 кгс). Режимы изготовления образцов приведены в табл. 2.
По имеющимся данным термическая обработка закалкой снижает склонность материала к хрупкости и повышает его прочность. Закалку 3D-печатных образцов осуществили в сушильном шкафу по следующим режимам:
загрузка образцов в сушильный шкаф, предварительно нагретый до требуемой температуры (70, 85 и 100 °C);
выдержка образцов при назначенной температуре в течение 20 ± 2 мин;
охлаждение образцов до комнатной (20–25 °C) температуры в сушильном шкафу;
двукратный повтор операций 1–3.
Испытания по определению термограмм полилактида PLA проводили на оборудовании компании Mettler Toledo. Режим проведения испытаний: нагрев в диапазоне 0–350 °C со скоростью 20 К/мин в среде азота.
Экспериментальная часть
При нагреве в процессе закалки в материале филамента протекают сложные изменения [5]. Как показано на термограмме (рис. 5), структурные изменения в термопластичных полимерах происходят в диапазоне между температурами стеклования (60 °C) и плавления (170 °C), что, по всей видимости, меняет соотношение аморфной и кристаллической составляющих структуры. Детальное исследование кристалличности пластика выходит за рамки данной работы.
Первый нагрев, показанный на термограмме (рис. 5, линия 1) соответствует термическим процессам, происходящим при 3D-печати по экструзионной технологии FFF. Кривая второго нагрева (линия 2) отображает процессы, происходящие при термической обработке полилактида PLA. Для исследования режима термообработки на свойства полилактида были использованы данные второго нагрева.
На этом основании и с учетом того факта, что при нагреве инструмента до температуры выше 100 °C предполагается его значительная деформация, для закалки образцов были выбраны три температуры: 70, 85 и 100 °C. Выбранные значения температуры находятся ниже области, в которой наблюдаются (предположительно) структурные изменения в PLA (линия 2 в диапазоне температур 100–140 °C).
Полученные по разным режимам (без термообработки и с термообработкой при различных температурах закалки) образцы подвергали испытанию на сжатие и растяжение при комнатной температуре.
Большинство публикаций, касающихся свойств полилактида PLA, посвящено влиянию технологических параметров печати на характеристики готовых изделий [6–8].
Количество публикаций, посвященных термической обработке пластмасс, особенно касающихся полилактида PLA, обработанного по экструзионной аддитивной технологии, весьма ограничено. Среди известных можно упомянуть работы сотрудников Омского и Волгоградского государственных технических университетов [5, 9].
Зависимость прочностных свойств полилактида PLA от величины деформации определяли испытаниями на сжатие цилиндрических образцов высотой и диаметром 10 мм со степенью заполнения 25, 50, 75 и 100% (рис. 6–8). Каждой степени заполнения соответствовали три типа заполнения: треугольник, сетка и соты.
Влияние температуры закалки образцов из PLA на прочностные свойства
Влияние температуры закалки на механические характеристики PLA изучалось на образцах на растяжение (см. рис. 4а) двух типов: выращенных горизонтально на рабочей платформе (0°) и вертикально относительно поверхности платформы (90°). Результаты испытаний при комнатной температуре показаны на рис. 9.
Полученные данные позволили установить следующее:
образцы, выращенные горизонтально на рабочей платформе (0°), в целом обладают более высокими характеристиками как по относительному удлинению, так и по прочности;
наиболее высокими пластическими и прочностными свойствами обладают образцы, закаленные при 85 °C.
Учитывая, что наиболее важным фактором, влияющим на стойкость формообразующего инструмента, является его прочность, то наиболее целесообразной температурой закалки является 85 °C.
Изучение износа инструмента при формообразовании серийных трубных заготовок методом гибки показало, что стойкость переднего прижима (рис. 10), как наиболее нагруженного инструмента, изготовленного из полилактида PLA с последующей закалкой, увеличивается на 35–40%. Стойкость заднего прижима и ролика была удовлетворительной, и они термообработке не подвергались.
Выводы
На основании проведенных исследований свойств образцов из полилактида PLA был выбран тип заполнения, изготовлен инструмент и подвергнут последующей закалке, что позволило повысить стойкость наиболее нагруженного инструмента на 35–40%.
Исследование влияния температуры закалки образцов из PLA на свойства при испытаниях на растяжение позволило установить, что наиболее высокими прочностными свойствами обладают образцы, закаленные при 85 °C со следующими режимами:
загрузка образцов в сушильный шкаф, предварительно нагретый до требуемой температуры;
выдержка образцов при назначенной температуре в течение 20 ± 2 мин;
охлаждение образцов до комнатной (20–25 °C) температуры в сушильном шкафу;
двукратный повтор операций а–с.
Закалка образцов со 100%-ным заполнением при температуре 70 °C повышает напряжение текучести до 50%.
При типе заполнения «сетка» на напряжение текучести оказывает влияние плотность заполнения. При заполнении 75% напряжение текучести близко по свойствам к образцу со 100%-ным заполнением. Образцы с заполнением 50 и 25% имеют прочностные свойства на 10–20% ниже.
При типе заполнения «соты» напряжение текучести меньше зависит от плотности заполнения, различие составляет 7–15%.
Влияние плотности заполнения при типе «треугольник» близко типу «сетка», но следует отметить, что при плотности заполнении 75% прочностные свойства образца выше, чем у образца со 100%-ным заполнением.
Следует отметить весьма незначительное влияние типа заполнения (соты, сетка, треугольник) при одинаковой плотности заполнения (25, 50, 75 и 100%). Различие в напряжении текучести не превышает 5–10%.
Литература
Бурлаков И. А., Мангасарян Г. А., Гладков Ю. А. и др. Прогнозирование точностных параметров автоматизированного технологического процесса гибки труб ГТД сложной пространственной формы. Проблемы машиностроения и надежности машин // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2020. № 4. С. 90–96.
Корнилов В. А. Совершенствование технологии многоколенной пространственной гибки труб проталкиванием на роликовой машине. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 2013, 105 с.
Глазков А. В. Технология холодной гибки труб методом продольного раскатывания // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование, 2012. 133–134 с.
ГОСТ 33693‑2015 (ISO 20753). Пластмассы. Образцы для испытаний. Применяется с 01.01.2017. М.: Издательство стандартов.
Машков Ю. К., Байбарацкая М. Ю., Григоревский Б. В. Конструкционные пластмассы и полимерные композиционные материалы: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. 129 с.
Савченя А. А., Ермаков А. И. Исследование влияния технологических параметров 3D-печати PLA-пластиком на механические характеристики изделий // Мировая экономика и бизнесадминистрирование малых и средних предприятий: материалы 16‑го Междунар. науч. семинара, проводимого в рамках 18‑й Междунар. науч.-техн. конф. «Наука – образованию, производству, экономике», г. Минск, 26 марта 2020 г. Минск: Право и экономика, 2020. С. 231–232.
Долунц Г. В. , студ.; рук. Л. Б. Маслов, доц., д. ф.‑ м. н. (ИГЭУ, г. Иваново) Определение физико-механических свойств пластика PLA. Энергия‑2021. Материалы конференции. С. 94.
Thiago R., Ferreira L. и др. Experimental characterization and micrography of 3D printed PLA and PLA reinforced with short carbon fibers. Composites Part B Engineering · May 2017. PP. 1–24.
Чуваев И. А., Габельченко Н. И. Термическая обработка 3D печатных изделий из пластмасс // Международный научно-исследовательский журнал. 2019. № 6 (84). C. 70–75.
Сведения об авторах
Петров Павел Александрович – кандидат технических наук, доцент кафедры «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии» Московского политехнического университета
Бурлаков Игорь Андреевич – доктор технических наук, главный специалист УГТ производственного комплекса «Салют» АО «ОДК»
Полшков Павел Анатольевич – начальник технологического бюро производственного комплекса «Салют» АО «ОДК»
Чибизов Максим Антонович – магистрант кафедры «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии», Московский политехнический университет
Сапрыкин Борис Юрьевич – старший преподаватель кафедры «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии», , Московский политехнический университет
П. А. Петров, И. А. Бурлаков, П. А. Полшков, М. А. Чибизов, Б. Ю. Сапрыкин
Приведены результаты исследований комплекса свойств термопластичного полимера – полилактида (PLA), на основании которых выбран режим 3D-печати формообразующего инструмента, применяемого для пространственной гибки стальных труб малого диаметра. Определен оптимальный режим закалки, обеспечивающий лучший комплекс механических свойств инструмента.
Трубы газотурбинных двигателей, изготавливаемые из стали типа 12Х18Н10Т и титанового сплава ПТ‑7М, имеют, как правило, сложную пространственную форму с большим количеством изгибов разных радиусов и углов гибки. Для реализации формообразующих операций применяют трубогибочные автоматы (рис. 1).
Заготовки в процессе гибки металлическим инструментом подвергаются значительным нагрузкам, которые приводят к образованию дефектов в виде складок и вмятин (рис. 2) [1–3]. Изготовление металлического инструмента характеризуется также высокой трудоемкостью и высокой стоимостью.
Применение трубогибочного инструмента из полимеров снижает возможность образования дефектов в виде вмятин, также значительно снижается трудоемкость изготовления инструмента за счет высокопроизводительного, по сравнению с изготовлением оснастки из металла, процесса 3D-печати, что особенно важно при отработке новых изделий и необходимости выпуска трубных заготовок небольшими партиями (100–500 единиц).
В этой связи возрастает роль разработок, направленных на повышение эксплуатационных свойств применяемых конструкционных термопластичных полимерных материалов. Поэтому проблема определения рациональных режимов закалки для повышения стойкости формообразующего инструмента является актуальной.
Цель работы
Целью данной работы является повышение эффективности процесса автоматизированной гибки труб путем применения инструмента из полилактида PLA. Для ее достижения необходимо:
выбрать высокопрочный полилактид для изготовления инструмента;
изучить его свойства путем испытания образцов на сжатие и растяжение;
изучить возможность повышения прочностных свойств методом закалки;
определить рациональный режим термической обработки;
изготовить по экструзионной технологии FFF (Fused Filament Fabrication) формообразующий инструмент и выполнить его термическую обработку;
испытать стойкость инструмента при изготовлении серии деталей.
Методика выполнения работы
Был выбран полилактид PLA фирмы ESUN, обладающий более высокими механическими характеристиками по сравнению с типовым полилактидом PLA. Анализ механических свойств для разных режимов обработки проводили на образцах, полученных методом 3D-печати, в процессе испытаний на сжатие и растяжение. Образцы изготавливались на принтере Raise 3D Pro2 Plus (рис. 3). Характеристики пластика PLA ESUN представлены в табл. 1.
Осадку цилиндрических образцов диаметром и высотой 10 мм выполняли на испытательной машине модели LFM50 со скоростью 2 мм/мин. Образцы на растяжение, изготовленные согласно ГОСТ 33693‑2015 [4] – уменьшенного масштаба (тип А12) (рис. 3), были испытаны на установке Tinius Olsen 50ST двухколонного типа с максимальной нагрузкой 50 кН (5 000 кгс). Режимы изготовления образцов приведены в табл. 2.
По имеющимся данным термическая обработка закалкой снижает склонность материала к хрупкости и повышает его прочность. Закалку 3D-печатных образцов осуществили в сушильном шкафу по следующим режимам:
загрузка образцов в сушильный шкаф, предварительно нагретый до требуемой температуры (70, 85 и 100 °C);
выдержка образцов при назначенной температуре в течение 20 ± 2 мин;
охлаждение образцов до комнатной (20–25 °C) температуры в сушильном шкафу;
двукратный повтор операций 1–3.
Испытания по определению термограмм полилактида PLA проводили на оборудовании компании Mettler Toledo. Режим проведения испытаний: нагрев в диапазоне 0–350 °C со скоростью 20 К/мин в среде азота.
Экспериментальная часть
При нагреве в процессе закалки в материале филамента протекают сложные изменения [5]. Как показано на термограмме (рис. 5), структурные изменения в термопластичных полимерах происходят в диапазоне между температурами стеклования (60 °C) и плавления (170 °C), что, по всей видимости, меняет соотношение аморфной и кристаллической составляющих структуры. Детальное исследование кристалличности пластика выходит за рамки данной работы.
Первый нагрев, показанный на термограмме (рис. 5, линия 1) соответствует термическим процессам, происходящим при 3D-печати по экструзионной технологии FFF. Кривая второго нагрева (линия 2) отображает процессы, происходящие при термической обработке полилактида PLA. Для исследования режима термообработки на свойства полилактида были использованы данные второго нагрева.
На этом основании и с учетом того факта, что при нагреве инструмента до температуры выше 100 °C предполагается его значительная деформация, для закалки образцов были выбраны три температуры: 70, 85 и 100 °C. Выбранные значения температуры находятся ниже области, в которой наблюдаются (предположительно) структурные изменения в PLA (линия 2 в диапазоне температур 100–140 °C).
Полученные по разным режимам (без термообработки и с термообработкой при различных температурах закалки) образцы подвергали испытанию на сжатие и растяжение при комнатной температуре.
Большинство публикаций, касающихся свойств полилактида PLA, посвящено влиянию технологических параметров печати на характеристики готовых изделий [6–8].
Количество публикаций, посвященных термической обработке пластмасс, особенно касающихся полилактида PLA, обработанного по экструзионной аддитивной технологии, весьма ограничено. Среди известных можно упомянуть работы сотрудников Омского и Волгоградского государственных технических университетов [5, 9].
Зависимость прочностных свойств полилактида PLA от величины деформации определяли испытаниями на сжатие цилиндрических образцов высотой и диаметром 10 мм со степенью заполнения 25, 50, 75 и 100% (рис. 6–8). Каждой степени заполнения соответствовали три типа заполнения: треугольник, сетка и соты.
Влияние температуры закалки образцов из PLA на прочностные свойства
Влияние температуры закалки на механические характеристики PLA изучалось на образцах на растяжение (см. рис. 4а) двух типов: выращенных горизонтально на рабочей платформе (0°) и вертикально относительно поверхности платформы (90°). Результаты испытаний при комнатной температуре показаны на рис. 9.
Полученные данные позволили установить следующее:
образцы, выращенные горизонтально на рабочей платформе (0°), в целом обладают более высокими характеристиками как по относительному удлинению, так и по прочности;
наиболее высокими пластическими и прочностными свойствами обладают образцы, закаленные при 85 °C.
Учитывая, что наиболее важным фактором, влияющим на стойкость формообразующего инструмента, является его прочность, то наиболее целесообразной температурой закалки является 85 °C.
Изучение износа инструмента при формообразовании серийных трубных заготовок методом гибки показало, что стойкость переднего прижима (рис. 10), как наиболее нагруженного инструмента, изготовленного из полилактида PLA с последующей закалкой, увеличивается на 35–40%. Стойкость заднего прижима и ролика была удовлетворительной, и они термообработке не подвергались.
Выводы
На основании проведенных исследований свойств образцов из полилактида PLA был выбран тип заполнения, изготовлен инструмент и подвергнут последующей закалке, что позволило повысить стойкость наиболее нагруженного инструмента на 35–40%.
Исследование влияния температуры закалки образцов из PLA на свойства при испытаниях на растяжение позволило установить, что наиболее высокими прочностными свойствами обладают образцы, закаленные при 85 °C со следующими режимами:
загрузка образцов в сушильный шкаф, предварительно нагретый до требуемой температуры;
выдержка образцов при назначенной температуре в течение 20 ± 2 мин;
охлаждение образцов до комнатной (20–25 °C) температуры в сушильном шкафу;
двукратный повтор операций а–с.
Закалка образцов со 100%-ным заполнением при температуре 70 °C повышает напряжение текучести до 50%.
При типе заполнения «сетка» на напряжение текучести оказывает влияние плотность заполнения. При заполнении 75% напряжение текучести близко по свойствам к образцу со 100%-ным заполнением. Образцы с заполнением 50 и 25% имеют прочностные свойства на 10–20% ниже.
При типе заполнения «соты» напряжение текучести меньше зависит от плотности заполнения, различие составляет 7–15%.
Влияние плотности заполнения при типе «треугольник» близко типу «сетка», но следует отметить, что при плотности заполнении 75% прочностные свойства образца выше, чем у образца со 100%-ным заполнением.
Следует отметить весьма незначительное влияние типа заполнения (соты, сетка, треугольник) при одинаковой плотности заполнения (25, 50, 75 и 100%). Различие в напряжении текучести не превышает 5–10%.
Литература
Бурлаков И. А., Мангасарян Г. А., Гладков Ю. А. и др. Прогнозирование точностных параметров автоматизированного технологического процесса гибки труб ГТД сложной пространственной формы. Проблемы машиностроения и надежности машин // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2020. № 4. С. 90–96.
Корнилов В. А. Совершенствование технологии многоколенной пространственной гибки труб проталкиванием на роликовой машине. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 2013, 105 с.
Глазков А. В. Технология холодной гибки труб методом продольного раскатывания // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование, 2012. 133–134 с.
ГОСТ 33693‑2015 (ISO 20753). Пластмассы. Образцы для испытаний. Применяется с 01.01.2017. М.: Издательство стандартов.
Машков Ю. К., Байбарацкая М. Ю., Григоревский Б. В. Конструкционные пластмассы и полимерные композиционные материалы: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. 129 с.
Савченя А. А., Ермаков А. И. Исследование влияния технологических параметров 3D-печати PLA-пластиком на механические характеристики изделий // Мировая экономика и бизнесадминистрирование малых и средних предприятий: материалы 16‑го Междунар. науч. семинара, проводимого в рамках 18‑й Междунар. науч.-техн. конф. «Наука – образованию, производству, экономике», г. Минск, 26 марта 2020 г. Минск: Право и экономика, 2020. С. 231–232.
Долунц Г. В. , студ.; рук. Л. Б. Маслов, доц., д. ф.‑ м. н. (ИГЭУ, г. Иваново) Определение физико-механических свойств пластика PLA. Энергия‑2021. Материалы конференции. С. 94.
Thiago R., Ferreira L. и др. Experimental characterization and micrography of 3D printed PLA and PLA reinforced with short carbon fibers. Composites Part B Engineering · May 2017. PP. 1–24.
Чуваев И. А., Габельченко Н. И. Термическая обработка 3D печатных изделий из пластмасс // Международный научно-исследовательский журнал. 2019. № 6 (84). C. 70–75.
Сведения об авторах
Петров Павел Александрович – кандидат технических наук, доцент кафедры «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии» Московского политехнического университета
Бурлаков Игорь Андреевич – доктор технических наук, главный специалист УГТ производственного комплекса «Салют» АО «ОДК»
Полшков Павел Анатольевич – начальник технологического бюро производственного комплекса «Салют» АО «ОДК»
Чибизов Максим Антонович – магистрант кафедры «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии», Московский политехнический университет
Сапрыкин Борис Юрьевич – старший преподаватель кафедры «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии», , Московский политехнический университет
Отзывы читателей
