Способ изготовления деталей двигателестроения из композитных материалов с помощью аддитивных технологий Российский патент 2024 года по МПК B29C64/00 B33Y50/02 

Изобретение относится к технологии послойного изготовления объектов по цифровой модели путем послойного нанесения материала и может применяться, в частности, при изготовлении деталей двигателестроения из композитных материалов с помощью аддитивных технологий.

Ключевой научной проблемой использования композитных материалов при изготовлении ответственных деталей двигателестроения являются фрагментарные знания, порой не подтвержденные экспериментальными исследованиями, о предельном механическом потенциале композитных материалов, а также о технологических возможностях их послойного синтеза (3D печати). Серийное производство деталей двигателестроения традиционно основано на изготовлении дорогостоящей технологической и контрольно-измерительной оснастки (металлических штампов), что в условиях многономенклатурного и мелкосерийного производства является крайне неэффективным. Этап изготовления металлической оснастки является нерентабельным вследствие большой металлоемкости, высокой трудоемкости изготовления (слесарной и механической обработки) и энергоемкости процесса. Поэтому применение междисциплинарного подхода (синергии отрасли химических наук с отраслью механики и машиностроения) при исследовании химических и физико-механических свойств композитных материалов при их использовании в двигателестроительной отрасли является необходимым условием для решения поставленной научной проблемы.

Известен способ и устройство для аддитивного производства изделий (RU №2775993, МПК В29С 64/106, B33Y 30/00, B33Y 50/02, опубл. 12.07.2022), согласно которым изделие создается из послойно наносимого, многокомпонентного, химически отверждаемого материала, включающего в себя подачу компонентов в печатающую головку по отдельным каналам, их смешивание перед соплом и нанесение послойно, время нанесения одного слоя больше времени гелеобразования используемого материала и меньше времени отверждения используемого материала.

Недостатком данного подхода является отсутствие возможности оптимизировать процесс под конкретное изделие, что сужает объем производства однотипными изделиями.

Известен способ изготовления формованного тела из отверждаемого материала (RU №2754668, МПК В28В 1/00, В29С 64/386, B33Y 50/02, E04G 21/04, опубл. 06.09.2021), согласно которому отверждаемый материал наносят послойно аддитивным способом, в частности аддитивным способом в свободном пространстве, при помощи печатающей головки, выполненной с возможностью перемещения в пространстве по меньшей мере в одном направлении, причем скорость нанесения отверждаемого материала и набор прочности во времени отверждаемого материала согласованы друг с другом, причем скорость перемещения печатающей головки задают в зависимости от длины пути, который печатающая головка должна пройти в текущем слое формованного тела при выпуске отверждаемого материала.

Недостатком данного решения является ограниченность подходящего материала для изготовления изделий и соответственно высокие требования к настройкам работы устройства согласно способу, что делает процесс изготовления более долгим и трудоемким.

Наиболее близким аналогом является способ аддитивного производства трехмерных объектов (RU №2717274, МПК В29С 64/118, B33Y 30/00, В29С 64/20, опубл. 19.03.2020), согласно которому создают цифровую трехмерную модель указанного объекта, разбивают модель на сердечник изделия и тело изделия, послойно разделяют их на плоские и криволинейные слои соответственно и готовят данные построения; после этого направляют данные построения в управляющее устройство; настраивают положение изделия относительно приемной поверхности; подают материал, который необходим для этого процесса; определяют нулевые координаты положения печатающей головки по оси X, устройства перемещения по оси Z и первого конструктивного элемента вокруг оси X узла для размещения приемной поверхности; приводят приемную поверхность в горизонтальное положение; на приемной поверхности изготавливают первую часть подложки, огибающую боковую поверхность приемной поверхности; меняют положение приемной поверхности на вертикальное; изготавливают вторую часть подложки на первой части подложки; изготавливают сердечник на второй части подложки; меняют положение приемной поверхности на горизонтальное; изготавливают тело изделия, нанося материал на сердечник криволинейными слоями.

Основным недостатком является ограниченность в разнообразии создаваемых изделий, в частности отсутствие возможности создания полых и изделий крупных габаритов.

Техническим результатом изобретения является увеличение качества деталей двигателестроения, а также скорости их производства.

Технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления деталей двигателестроения из композитных материалов с помощью аддитивных технологий, заключающемся в создании цифровой трехмерной модели детали, направлении данных построения в управляющее устройство, настройке положения будущей детали относительно приемной поверхности, определении нулевых координат положения печатающей головки, установке режимов печати, подачи полимерного материала и произведении печати, после создания цифровой трехмерной модели определяют материал для прототипирования, в случае создания формообразующей оснастки используют материалы на основе ABS пластика, в случае создания самостоятельных изделий материалы на основе полиамида с добавлением стекловолокна, а для создания выжигаемых моделей PLA пластик, затем устанавливают режимы печати, для материалов на основе ABS пластика температуру сопла устанавливают в диапазоне 270-290°С и температурой стола 105°С, режим без обдува, для материалов на основе полиамида с добавлением стекловолокна температуру сопла устанавливают в диапазоне 305-320°С и температурой стола 140°С, режим без обдува, для PLA пластика температуру сопла устанавливают в диапазоне 205-215°С и температурой стола 70°С, обдув обязательно, при этом после произведения печати детали производят обработку поверхности детали для достижения требуемых параметров шероховатости.

Чтобы изготовить то или иное изделие или деталь из пластика с наилучшими свойствами, необходимо подобрать наиболее оптимальные режимы печати. В основе таких режимов лежат определенные критерии, которые должны выполняться при печати изделия. Чтобы выявить наиболее оптимальный режим печати, были изготовлены специальные образцы согласно ГОСТ 33693-2015. Впоследствии они были исследованы на разрыв для определения механических свойств, была определена шероховатость и усадка.

Образцы выращивались из нескольких видов композитного материала на платформе построения 3D - принтера при разных температурах экструзии материала.

Используемые материалы.

Formax - инженерный термопластик на основе ABS с добавлением углеволокон (до 15%), способный выдерживать большие нагрузки и высокие температуры. Основное достоинство угленаполненного ABS пластика Formax - простота и стабильность печати. У этого материала практически нет усадки, поэтому им можно легко печатать как очень маленькие модели, так и объекты во всю рабочую область 3D-принтера. Formax обладает повышенной прочностью и жесткостью, а конечные изделия имеют отличную поверхность благодаря оптическому эффекту, скрывающему наличие слоев.

Главные преимущества Formax: прост в печати; практически не имеет усадки; прочнее и жестче обычного ABS; обеспечивает высокую стабильность и повторяемость печати; создает отличный внешний вид напечатанных моделей.

Для производства нити из углеродного волокна используются крошечные волокна, которые вводятся в основной материал для улучшения его свойств. Эти волокна чрезвычайно прочны, и вызывают увеличение прочности и жесткости филамента, но по этой же причине нить становится более хрупкой и более абразивной. Поэтому трубка подачи материала не должна иметь сильных изгибов, а при печати необходимо использовать сопло из закаленной стали.

Материал отлично подойдет для печати практически любых изделий: функциональные модели, прототипы, высокое искусство, декоративные предметы, части дронов, шестерни, формы для формовки и многое другое.

PA ABS GF - 8 - композит на основе ABS/PA (смесь акрилонитрилбутадиенстирола и полиамида РА6) с добавлением 8% стекловолокна. Подходит для печати конечных изделий, где требуется высокая ударопрочность и стойкость к ультрафиолету. Инертен к большинству доступных химических растворителей.

РА 66 GF - 33 представляет собой композитный материал, изготовленный из полиамида 66 (полиамида 66) на основе смолы, смешанного с армированием стекловолокном на 33%.

Он имеет следующие функции:

1. Высокая прочность: обладает высокой прочностью и жесткостью, а его прочность выше, чем у обычных материалов из полиамида 66. Это связано с добавлением армирующего стекловолокна, улучшающего механические свойства материала.

2. Термостойкость: обладает хорошей термостойкостью и может сохранять структурную стабильность и механические свойства в условиях высоких температур.

3. Износостойкость: материал обладает высокой твердостью поверхности, хорошей износостойкостью и может противостоять трению и износу.

4. Химическая стойкость: обладает хорошей устойчивостью ко многим химическим веществам, включая некоторые растворители, масла, кислоты и щелочи.

5. Стабильность размеров: при различных условиях температуры и влажности имеет хорошую стабильность размеров и не легко деформируется.

PLA пластик (полилактид) - это биополимер, пользующийся высокой популярностью в 3D печати и отличающийся низкой термоусадкой. Материал используется для печати объектов, применяемых в литье по выжигаемым моделям, массовая доля золы менее 0.1% от массы напечатанного объекта при выжигании его при температуре 700°С.

В таблице 1 отражены используемые материалы, а также температурные значения, при которых выращивались образцы.

Параметры выращивания образцов, которые оставались постоянными: размер сопла (0,4 мм); высота слоя (0,2 мм); обдув - 0%; скорость печати - 45 мм/с.

Результаты проведенных испытаний приведены в таблице 2.

Таким образом были определены оптимальные параметры для производства деталей формообразующей оснастки, самостоятельных изделий и выжигаемых моделей.

Качество поверхностного слоя изделий, получаемых после FDM печати не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым к изделиям. Шероховатость зависит от технологических параметров печати, полимерной основы материала и вспомогательных компонентов в пластике, таких как стекло и углеволокно, частицы металла, керамики, дерева и других компонентов, которые могут быть внутри полимерного материала. Чаще всего шероховатость наибольшим образом будет зависеть от высоты слоя при печати и варьироваться в диапазоне Ra=3-30 мкм для пластиков без наполнителя, напечатанных на FDM принтере. Для уменьшения шероховатости поверхности можно использовать различные методы обработки, наиболее часто используется ручная шлифовка и доводка наждачной бумагой, надфилями, что не является технологичным методом обработки, так как требуется много времени на обработку и большое количество ручного труда. В качестве альтернативы данному методу могут быть рассмотрены методы обработки в галтовочных барабанах и различные химические методы обработки.

Метод химической полировки пластиковых изделий заключается в химическом воздействии растворителей на поверхностный слой обрабатываемой детали. В зависимости от полимерной основы обрабатываемой детали могут применяться различные растворители. Список растворителей и пластиков, которые в них растворяются приведен ниже в таблице 3.

В качестве методов химической полировки напечатанных изделий могут применяться три основных метода: обработка погружением в растворитель, обработка кисточками с нанесением растворителя и обработка парами растворителя.

Способ содержит следующие этапы: 1) создание цифровой трехмерной модели детали; 2) определение материала для прототипирования, в случае создания формообразующей оснастки используют материалы на основе ABS пластика, в случае создания самостоятельных изделий материалы на основе полиамида с добавлением стекловолокна, а для создания выжигаемых моделей PLA пластик; 3) направление данных построения в управляющее устройство; 4) установку режима печати, для материалов на основе ABS пластика температуру сопла устанавливают в диапазоне 270-290°С и температурой стола 105°С, режим без обдува, для материалов на основе полиамида с добавлением стекловолокна температуру сопла устанавливают в диапазоне 305-320°С и температурой стола 140°С, режим без обдува, для PLA пластика температуру сопла устанавливают в диапазоне 205-215°С и температурой стола 70°С, обдув обязательно; 5) настройку положения будущей детали относительно приемной поверхности (стола); 6) определение нулевых координат положения печатающей головки; 7) подачу полимерного материала; 8) произведение печати; 9) обработку поверхности детали для достижения требуемых параметров шероховатости.

В качестве примера реализации способа приведен процесс изготовления выжигаемая модель корпуса камеры сгорания газотурбинной установки. Для изготовления физической мастер-модели в FDM-принтере были созданы 3D-CAD модели с учетом усадки материалов в программном обеспечении. После этого 3D-CAD модели были преобразована в формат STL.

Основные параметры печати на 3D принтере Царь 3D TS1212-6: температура сопла 215°С; температура стола 70°С; обдув обязательно.

Для измерения параметров шероховатости и волнистости на напечатанных деталях использовали профилограф Hommel - Etamic Tester W55, использующий контактный щуповой метод измерения. Измерения проводили на образцах свидетелях, изготавливаемых одновременно с выжигаемой моделью и на тех же режимах.

Шероховатость поверхности в изготовленных моделях на основе FDM-печати составляет: вдоль направления выращивания 16,3 мкм (Ra), перпендикулярно направлению выращивания 0,48 (Ra), подтверждая приемлемое качество для большинства деталей в машиностроении. Анализ результатов измерений, показывает, что все размеры лежат в поле допуска отливки и результаты смещены к верхней границе поля допуска.

Изобретение относится к технологии послойного изготовления объектов по цифровой модели путем послойного нанесения материала и может применяться, в частности, при изготовлении деталей двигателестроения из композитных материалов с помощью аддитивных технологий. Способ содержит следующие этапы: 1) создание цифровой трехмерной модели детали; 2) определение материала для прототипирования, в случае создания формообразующей оснастки используют материалы на основе ABS пластика, в случае создания самостоятельных изделий - материалы на основе полиамида с добавлением стекловолокна, а для создания выжигаемых моделей - PLA пластик; 3) направление данных построения в управляющее устройство; 4) установка режима печати; 5) настройка положения будущей детали относительно приемной поверхности (стола); 6) определение нулевых координат положения печатающей головки; 7) подача полимерного материала; 8) произведение печати; 9) обработка поверхности детали для достижения требуемых параметров шероховатости. Техническим результатом изобретения является увеличение качества деталей двигателестроения, а также скорости их производства. 3 табл.

Способ изготовления деталей двигателестроения из композитных материалов с помощью аддитивных технологий, заключающийся в создании цифровой трехмерной модели детали, направлении данных построения в управляющее устройство, настройке положения будущей детали относительно приемной поверхности, определении нулевых координат положения печатающей головки, установке режимов печати, подаче полимерного материала и произведении печати, отличающийся тем, что после создания цифровой трехмерной модели определяют материал для прототипирования, в случае создания формообразующей оснастки используют материалы на основе ABS пластика, в случае создания самостоятельных изделий - материалы на основе полиамида с добавлением стекловолокна, а для создания выжигаемых моделей - PLA пластик, затем устанавливают режимы печати: для материалов на основе ABS пластика температуру сопла устанавливают в диапазоне 270-290°С и температуру стола 105°С, режим без обдува, для материалов на основе полиамида с добавлением стекловолокна температуру сопла устанавливают в диапазоне 305-320°С и температуру стола 140°С, режим без обдува, для PLA пластика температуру сопла устанавливают в диапазоне 215-235°С и температуру стола 70°С, обдув обязательно, при этом после произведения печати детали производят обработку поверхности детали для достижения требуемых параметров шероховатости.