сотрудник
Российский университет транспорта (МИИТ) (кафедра "Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава", профессор)
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
аспирант
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Приведены результаты исследований, выполненные на профилометре TR110 и сканирующем зондовом микроскопе фирмы SolverPro. Анализ и обработка полученных данных привели к получению математической зависимости шероховатости поверхности от вводных условий предустановок 3D-печати, а именно угла выращивания и толщины слоя. Определена природа формирования шероховатости поверхности изделия, изготавливаемого с помощью аддитивных технологий.
аддитивные технологии, 3D-печать, фотополимер, технология, качество, шероховатость
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. Гусев, Д.В. Повышение показателей качества изготавливаемых изделий при использовании технологии быстрого прототипирования: дис… канд. техн. наук / Д.В. Гусев. - Москва, 2019. - 116 с.
2. Литунов, С.Н. Обзор и анализ аддитивных технологий / С.Н. Литунов, В.Н. Слободенюк, Д.В. Мельников // Омский научный вестник. - 2016. - Часть 2.- № 5(149). - С. 20-24.
3. Зленко, М.А. Аддитивные технологии в машиностроении: пособие для инженеров / М.А. Зленко, М.В. Нагайцев, В.М. Довбыш. - М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. - 220 с.
4. Куликов, М.Ю. О взаимодействии шероховатости поверхности прототипированных образцов с условиями их базирования при изготовлении / М.Ю. Куликов, М.А. Ларионов, Д.В. Гусев // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. - 2016. - № 1(25). - С. 88-92.
5. Куликов, М.Ю. Исследование закономерностей формирования точностных параметров деталей при прототипировании / М.Ю. Куликов, М.А. Ларионов, Д.В. Гусев // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2016. - Вып. 2(50). - С. 104-107.
6. Куликов, М.Ю. Исследование взаимосвязи шероховатости поверхности прототипированных образцов с условиями их базирования при изготовлении / М.Ю. Куликов, М.А. Ларионов, Д.В. Гусев // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2016. - Вып. 2(50). - С. 108-111.
7. Ларионов, М.А. Разработка программы прогнозирования ожидаемых параметров точности изделия, изготовленного методом 3SP RP-технологии / М.А. Ларионов, Д.В. Гусев // Металлообработка. - 2018. - № 6(108). - С. 26-29.
8. Миронов, В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии: учеб. пособие / В.Л. Миронов. - Н. Новгород, 2004. - 114 с.
9. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. - М.: Наука, 1976. - 278 с.
