Russian University of Transport (RUT (MIIT)) (Department of Technology of Transport Engineering and Repair of Rolling Stock, Professor)
employee
Moscow, Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
On this account the purpose of this work became quality parameter support of products obtained with the aid of 3D-printing. By the authors there was carried out a series of investigations on samples manufactured on the Ultra 3 3D-printer of the Envision Tec. Company. The samples were manufactured in batches of seven samples in each. Each sample from the batch varied from each other with the growth angle α between the researched surface and a “contact window”, and also the thickness of the layer z. With the aid of the profile meter TR110 there was measured roughness and for a thorough analysis of roughness step dimensions there was used a probe microscope of SolverPro company operating in the mode of atomic-power microscopy. The data analysis helped to draw a conclusion on the nature of roughness formation at prototyping, and digital data obtained were accumulated in a table and with the aid of statistical processing there was deduced an equation of the roughness parameter dependence of the surface Ra upon initial technological parameters of the prototyping process. But further roughness improvement can be achieved with the combined shaping with the aid of additive technologies and further machining carried out on a single platform. Investigation methods: at the heart of the work underlie experimental methods of investigation. The investigations are carried out with the use of modern means of nondestructive control; with the use of methods of probe microscopy and standard methods of roughness measurement with the use of a profile meter. The processing of investigation results is carried out with the use of modern mathematical apparatus. Work novelty: there is defined the nature of roughness formation on the surface of a product manufactured with the aid of additive technologies at technological parameter variation of prototyping.
additive technologies, 3D-printing, photo-polymer, technology, quality, roughness
Введение
В современном мире аддитивные технологии - это не удивительная технология будущего, а реальность, которая с каждым годом совершенствуется и становится все более самостоятельной и автоматизированной.
Применение аддитивных технологий разнообразно:
- в промышленности (с помощью технологий 3D-печати возможно создание моделей – прототипов будущей продукции, изготавливают детали сложной формы и конфигурации в единичном производстве, модели для литья, модели для изучения аэро- и гидродинамических свойств и др.);
- в медицине (в стоматологии получают протезы и коронки, сверхточные медицинские инструменты, создают отдельные живые органы);
- в приборостроении (корпуса для приборов, направляющие, всевозможные отдельные элементы);
- в машиностроении (бампера, кронштейны навесных элементов, блоки двигателей);
- в архитектуре (с помощью 3D-принтеров получают макеты будущих объектов и сооружений), а также во многих других сферах жизнедеятельности человека.
Создание аддитивных технологий стало возможным с появлением цифровых компьютерных программ в области проектирования (CAD/CAE/САМ/САРР) [2].
Благодаря широкому применению цифровых компьютерных программ в области проектирования, обеспечившими быстрый обмен данными между проектными и производственными подразделениями, удалось полностью реализовать сквозное безбумажное взаимодействие. Это существенно сокращает время на проектирование, изготовление и внедрение нового изделия, так как данные об изделии хранятся на серверах производства.
Все параметрические данные, а также информационное обеспечение изделия, проводятся по прямому каналу передачи, начиная от проектировщика, конструктора к производству, а далее к потребителю в едином формате данных.
По такому прямому принципу работают аддитивные технологии, которые базируются на создании отдельных слоев заданной в настройках установки толщины и их последовательного формирования друг с другом [3].
На сегодняшний день сформировалась целая индустрия аддитивного производства, десятки различных методов технологий, а также оборудования и материалов для послойного выращивания изделий [1].
Одним из перспективных методов технологии аддитивного производства является выращивание изделий из полимерных материалов – 3SP. Процесс изготовления происходит автоматически без участия человека, и все основные настройки (толщина слоя, коррекция шаг платформы) осуществляются предварительно до начала изготовления.
В работах [1, 4, 5, 6] установлено влияние 3D-печати на точностные показатели получаемых деталей, которые отвечают основным требованиям, предъявляемым к машиностроительным изделиям.
Влияние условий проведения 3D-печати на показатели шероховатости поверхности изготовленных деталей
Измерение микрорельефа поверхностей образцов проводили на пластинах размером 150x10x3 мм. Среднее арифметическое отклонение профиля поверхности Rа образцов определяли с помощью профилометра ТR110.
На установке Ultra 3 фирмы EnvisionTec были изготовлены партии образцов, по 7 образцов в каждой. Значимым отличием друг от друга стал угол выращивания α, между исследуемой поверхностью и контактным окном, а также толщина слоя z.
Угол α варьировался от 0˚ до 10˚ с шагом в 2˚ и толщиной слоя z, которая изменялась от 25 до 100 мкм с шагом 25 мкм. Образцы были изготовлены из трех материалов: E-glass, HTM-140, ABS-flex.
На основании полученных данных были построены графики зависимости среднего арифметического отклонения профиля поверхности Ra от угла выращивания α образца (рис. 1) [1].
Проведя анализ построенных графиков (рис. 1) следует, что варьируя технологическими параметрами процесса прототипирования толщиной слоя z и углом выращивания α, можно направленно изменять параметр шероховатости поверхности изделия. Уменьшение толщины наращиваемого слоя и повышение угла выращивания до 8˚ приводит к снижению параметра шероховатости Ra. Повышение параметра шероховатости Ra при увеличении угла выращивания свыше 8˚ объясняется, как было указано ранее, сдвигами в слоях не полностью затвердевшего наращиваемого материала.
Для определения шаговых размеров шероховатости поверхности изделия был использован сканирующий зондовый микроскоп фирмы SolverPro, работающий в режиме атомно-силовой микроскопии [9].
Образцами для исследования шаговых параметров шероховатости поверхности служили пластины размером 10х10х3 мм в количестве 7 образцов. Образцы отличались углом выращивания α, который варьировался от 0˚ до 10 ˚ с шагом в 2˚.
|
|
|
|
а) |
б) |
|
|
|
|
в) |
г) |
|
Рис. 1. Влияние угла выращивания α и толщины слоя z на параметр шероховатости Ra: а, б, в, г – толщина слоя, соответственно, 25, 50, 75 и 100 мкм; материал пластин 1, 4, 7, 10 – ABS-flex; 2, 5, 8, 11 – E-glass; 3, 6, 9, 12 – HTM-140 |
|
|
|
|
Результаты, полученные при помощи зондового микроскопа, обрабатывались с применением программного обеспечения NOVA SolverPro, в результате чего был получен трёхмерный рельеф поверхности и значения шаговых параметров образцов (рис. 2) [1, 8].
Было установлено, что для всех исследуемых образцов характерно наличие на всех изображениях отчетливых зон неровностей (рис. 2). Формирование такого рельефа связано с тем, что одним из главных рабочих механизмов установки наряду с лазером является так называемое «контактное окно», представляющее собой стеклянную рамку, обтянутую политетрафторэтиленовой (тефлоновой) пленкой, через которую лазер полимеризует слой фотополимера выращиваемого изделия. В результате межмолекулярного взаимодействия между тефлоновой пленкой и жидким фотополимером, обладающим низким поверхностным натяжением, в процессе разделения поверхностей «отлипания» от контактного окна формируется профиль поверхности исследуемых образцов. Профиль изделия повторяет рельеф тефлоновой пленки, что отрицательно сказывается на шероховатости готового изделия. Исследованиями установлено, что размеры неровностей, исследуемых образцов, определяются дефектом (наличием пор) тефлоновой пленки [1].
Установлено, что при изготовлении изделий с углом выращивания α = 0˚ шероховатость поверхности изделия значительно хуже, чем на образцах, полученных в других условиях. Это объясняется тем, что при угле выращивания α = 8˚ площадь наращиваемого слоя меньше, чем при угле выращивания α = 0˚, и в процессе отлипания от контактного окна воздействие последующего слоя на предыдущий слой, который еще до конца не заполимеризовался, минимально. При угле выращивания более 8° отрицательное воздействие на параметр шероховатости Ra оказывает сила тяжести слоя, которая вызывает сдвиги в еще не затвердевшем слое фотополимера.
|
|
||||||||||||
|
б) |
Рис. 2. Трехмерное изображение профиля
Разработка регрессионной модели формирования шероховатости поверхности
Уравнение зависимости параметра шероховатости поверхности Ra от исходных технологических параметров процесса прототипирования для изделий, изготовленных по методу 3SP RP-технологии, можно представить в следующем виде [7]:
, (1)
где Ra – среднее арифметическое отклонение профиля, мкм; СRa –коэффициент; α – угол выращивания, град.; z – шаг перемещения рабочей платформы, мкм, [1].
Уравнение зависимости Ra от исходных технологических параметров процесса прототипирования логарифмируем и получаем выражение вида:
, (2)
При проведении исследований варьировали двумя факторами (k = 2), влияющих на параметр оптимизации, на двух уровнях (р = 2). Для определения влияния технологических параметров прототипирования на величину Ra использовали полный факторный эксперимент типа:
, (3)
Регрессионную модель можно построить для каждого из параметров, но одновременно оптимизировать несколько функций невозможно. Обычно оптимизируется параметр, наиболее важный с точки зрения исследования [9].
По результатам проведенных экспериментов была построена рабочая матрица планирования, представленная в таблице.
Таблица
Матрица планирования эксперимента и значения выходных факторов
|
Номер опыта |
Матрица планирования |
Рабочая матрица |
||||||
|
x0 |
x1 |
x2 |
x12 |
Угол выращивания α, град. |
Шаг перемещения рабочей платформы z, мкм |
Ra, мкм |
Среднее значение Ra, мкм |
|
|
1 |
+ |
+ |
+ |
+ |
10 |
75 |
1,61/1,64/1,64 1,62/1,65/1,65 1,61/1,61/1,62 |
1,63/0,488 |
|
2 |
+ |
+ |
+ |
– |
6 |
75 |
1,65/1,65/1,62 1,62/1,67/1,65 1,65/1,62/1,66 |
1,64/0,494 |
|
3 |
+ |
+ |
– |
- |
10 |
50 |
1,59/1,57/1,57 1,49/1,51/1,53 1,51/1,47/1,52 |
1,53/0,425 |
|
4 |
- |
– |
– |
- |
6 |
50 |
1,52/1,51/1,51 1,58/1,54/1,58 1,54/1,5/1,5 |
1,53/0,425 |
По результатам полученных экспериментальных данных и их математической обработки было получено выражение для определения параметра шероховатости Ra:
. (4)
Заключение
Полученная регрессионная модель свидетельствует о влияние условий 3D-печати на величину шероховатости получаемых изделий. Однако механизм ее формирования позволяет установить минимальный предельный уровень величины Ra на поверхности детали, полученной с помощью 3D-печати. Он значительно выше, чем получается при традиционной механической обработке. Поэтому дальнейшее улучшение шероховатости может достигаться комбинированным формообразованием с помощью аддитивных технологий и последующей механической обработки, произведенных на одной технологической платформе.
1. Gusev, D.V. Povyshenie pokazateley kachestva izgotavlivaemyh izdeliy pri ispol'zovanii tehnologii bystrogo prototipirovaniya: dis… kand. tehn. nauk / D.V. Gusev. - Moskva, 2019. - 116 s.
2. Litunov, S.N. Obzor i analiz additivnyh tehnologiy / S.N. Litunov, V.N. Slobodenyuk, D.V. Mel'nikov // Omskiy nauchnyy vestnik. - 2016. - Chast' 2.- № 5(149). - S. 20-24.
3. Zlenko, M.A. Additivnye tehnologii v mashinostroenii: posobie dlya inzhenerov / M.A. Zlenko, M.V. Nagaycev, V.M. Dovbysh. - M.: GNC RF FGUP «NAMI», 2015. - 220 s.
4. Kulikov, M.Yu. O vzaimodeystvii sherohovatosti poverhnosti prototipirovannyh obrazcov s usloviyami ih bazirovaniya pri izgotovlenii / M.Yu. Kulikov, M.A. Larionov, D.V. Gusev // Uchenye zapiski Komsomol'skogo-na-Amure gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2016. - № 1(25). - S. 88-92.
5. Kulikov, M.Yu. Issledovanie zakonomernostey formirovaniya tochnostnyh parametrov detaley pri prototipirovanii / M.Yu. Kulikov, M.A. Larionov, D.V. Gusev // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2016. - Vyp. 2(50). - S. 104-107.
6. Kulikov, M.Yu. Issledovanie vzaimosvyazi sherohovatosti poverhnosti prototipirovannyh obrazcov s usloviyami ih bazirovaniya pri izgotovlenii / M.Yu. Kulikov, M.A. Larionov, D.V. Gusev // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2016. - Vyp. 2(50). - S. 108-111.
7. Larionov, M.A. Razrabotka programmy prognozirovaniya ozhidaemyh parametrov tochnosti izdeliya, izgotovlennogo metodom 3SP RP-tehnologii / M.A. Larionov, D.V. Gusev // Metalloobrabotka. - 2018. - № 6(108). - S. 26-29.
8. Mironov, V.L. Osnovy skaniruyuschey zondovoy mikroskopii: ucheb. posobie / V.L. Mironov. - N. Novgorod, 2004. - 114 s.
9. Adler, Yu.P. Planirovanie eksperimenta pri poiske optimal'nyh usloviy / Yu.P. Adler, E.V. Markova, Yu.V. Granovskiy. - M.: Nauka, 1976. - 278 s.
