ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГЛЕ- И СТЕКЛОНАПОЛНЕННЫХ ТЕРМОПЛАСТОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Изучена возможность использования стекло- и угленаполненных термопластов при изготовлении корпусных деталей электронной аппаратуры с использованием аддитивных технологий формообразования. Цель исследования - поиск метода изготовления сложнопрофильных поверхностей. Уменьшение трудоемкости изготовления корпусных деталей электронной аппаратуры. Повышение эффективности ремонта колесных пар подвижного состава. Задача, решению которой посвящена статья - целесообразность использования угле- и стеклонаполненых термопластов при изготовлении корпусных деталей. Основной метод исследования - эксперимент. Новизна работы - установлена возможность использования угле- и стеклонаполненых термопластов при изготовление корпусных деталей. Результаты исследования: эмпирическим методом установлены целесообразность и эффективность использования стекло- и угленаполненных термопластов при изготовлении корпусных деталей электронной аппаратуры с использованием аддитивных технологий. Вывод - использование аддитивных технологий формообразования способствует уменьшению трудоёмкости изготовления корпусных деталей электронной аппаратуры. Доказана возможность использования стекло- и угленаполненых термопластов при производстве деталей транспортных систем

Ключевые слова:
аддитивные технологии, 3D-печать, Fused Deposition Modeling(FDM), угле- и стеклонаполненные термопласты
Текст
Текст (PDF): Читать Скачать

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].

 

 

2.jpg

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.

 

 

параметры печати  размещение объектов в куре

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).

 

 

PHOTO_20201217_123630

Рис. 3. Детали после печати из TOTAL GF-30

Fig. 3. Details after printingfrom TOTAL GF-30

 

PHOTO_20201217_123608    PHOTO_20201217_123741

а)                                                                   б)

Рис. 4. Деталь(и): а – с поддержками; б –после постобработки

Fig. 4 Details: а – with support; б –after post-processing

 

PHOTO_20201217_123917

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.

Список литературы

1. Официальный сайт компании Filamentarno, 2021, URL: http://filamentarno.ru.

2. Официальный сайт компанииUltimaker, 2021, URL: http://Ultimaker.com

3. ГОСТ Р 51623-2000 - Конструкции базовые несущие радиоэлектронных средств. Система построения и координационные размеры. - М.: Изд-во стандартов, 2000.

4. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. - М.: Машиностроение, 2004. - 512 с.

5. Зленко М.А., Забеднов П.В. Аддитивные технологии в опытном литейном производстве. Технологии литья металлов и пластмасс с использованием синтез-моделей и синтез-форм // Металлургия машиностроения. - 2013 - № 3. - С. 43-48.

6. Гусев Д.В. Повышение показателей качества изготавливаемых изделий при использовании технологии быстрого протипирования: специальность 05.02.08 «Технология машиностроения»: диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук / Денис Витальевич Гусев; Ульяновский Государственный Технический Университет. - Ульяновск, 2019. - 116 с.

7. Куликов М.Ю., Ларионов М.А., Гусев Д.В. О взаимодействии шероховатости поверхности прототипированных образцов с условиями их базирования при изготовлении // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. - 2016. - № 1(25). - С. 88-92.

8. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. Трехмерная печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство. - М.: Техносфера, 2016. - 656 с.

Войти или Создать
* Забыли пароль?