CC BY
3
УДК 621.833
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-688-689
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ 3D-ПЕЧАТИ МЕТОДОМ FFF ИЗ САЖЕНАПОЛНЕННОЙ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИИ
В.М. Кондратова, П.А. Петров, Н.Г. Рывкина, И.А. Чмутин, Н.С. Шмакова
В работе исследуются электрические свойства образцов, изготовленных из саженаполненной полимерной композиции с помощью 30-печати методом FFF (Fused Filament Fabrication). Технологические параметры процесса изготовления филамента подбирались таким образом, чтобы он имел гладкую поверхность и его диаметр не менялся по длине с точностью до ± 0,05 мм. Показано, что напечатанные изделия могут использоваться вместо изделий, полученных традиционными методами в тех случаях, когда ток течёт вдоль слоев. Для расширения областей их применения необходимо подобрать параметры печати, снижающие анизотропию электропроводности.
Ключевые слова: композиционный материал, полилактид, полиэтилен, технический углерод, электропроводность, 3D- печать, метод FFF.
В настоящее время аддитивные технологии из превратились в один из эффективных способов получения деталей и изделий, востребованных практически во всех отраслях промышленности: от медицины до космического машиностроения и от сельского хозяйства до военной техники. Если говорить о полимерном направлении в аддитивных технологиях, то можно отметить постоянное расширение спектра решаемых задач, а также увеличение ассортимента используемых термопластичных полимерных расходных материалов и композиционных материалов на их основе.
От изготовления оригинальных сувенирных изделий и создания прототипов новой продукции аддитивные технологии переходят к более сложным задачам: производству корпусов для малых серий электронного оборудования, декоративных элементов одежды, замену для вышедших из строя гибких прокладок сложной формы, датчиков различного назначения и многих других изделий [1].
Расходные полимерные материалы не ограничиваются сейчас полимерами общего назначения, декоративными и инженерными композиционными материалами. В настоящее время все чаще требуются материалы со специальными свойствами: магнитными, оптическими, тепловыми, биоцидными и многими другими.
Не стали исключением и электрические свойства. Все чаще требуется композиционный полимерные материал не просто с определенным уровнем электропроводности, а с конкретной функциональной зависимостью электропроводности от температуры, деформации, частоты электрического поля, химического состава атмосферы и других внешних факторов. Они нужны для изготовления антистатических изделий, электромагнитных экранов отражающего и поглощающего типов, датчиков деформации, температуры, влажности, наличия в атмосфере определенных вредных веществ, электропроводящих паст для дорожек на печатных платах и многих других применений [2]. Специалист, привыкший к широкому ассортименту композиционных материалов со специальными электрическими свойствами, перерабатываемых в изделие традиционными способами, хотел бы иметь возможность использовать в своей работе такие же, но пригодные для 3D-печати. Однако здесь имеется ряд проблем. Одна из них заключается в крайне небольшом ассортименте расходных материалов, обладающих специальными электрическими свойствами. Вторая проблема носит научный характер. Изделие, изготовленное с помощью аддитивных технологий, имеет электрические свойства, как правило, отличающиеся от свойств изделия, полученного традиционными методами, даже если они изготовлены из одного и того же материала [3, 4]. Есть необходимость прогнозировать свойства конечного изделия, исходя из свойств расходного материала, метода и технологических параметров печати. Но если электрическим свойствам образцов, полученных традиционными методами, посвящена обширная научная литература - сотни тысяч статей, тысячи монографий, то особенности электрических свойств изделий, полученных с использованием аддитивных технологий изучены крайне слабо.
Поэтому целью настоящей работы является исследование особенностей электропроводности образцов, изготовленным с помощью 3D-печати методом FFF из саженаполненного полимерного материала. Рассмотрены зависимости электропроводности от концентрации наполнителя, частоты электрического тока.
Материалы и методы. Изготовление филаментов. Сажа (технический углерод) представляет собой на-ночастицы, которые из-за активной поверхности очень сложно вводить в полимерную матрицу. Для этого требуется дорогостоящее оборудование, например, двухшнековые экструдеры с высоким соотношением длины шнека к его диаметру. В противном случае распределение частиц технического углерода в изделии будет неоднородным, что отрицательно скажется на его свойствах. Поэтому мы использовали технологию, широко распространенную в полимерной отрасли, при которой компания-производитель добавок для модификации свойств полимеров и имеющая специальное оборудование для совмещения полимера с наполнителем, выпускает так называемые суперконцентраты, содержащие высокую концентрацию частиц наполнителя, равномерно диспергированного в полимерной матрице. Производители конечных изделий из полимерных композитов разбавляют суперконцентрат полимером, не содержащим наполнитель, используя стандартное смесительное оборудование, например, одношнековый экстру-дер.
В качестве суперконцентрата нами был выбран КС-45, производства АО «Лидер-Компаунд», представляющий собой полиэтилен, содержащий 45% масс. технического углерода. Для варьирования концентрации технического углерода в изделии гранулы КС-45 смешивались с гранулами ненаполненного полилактида марки L175 в различных пропорциях. Смесь гранул загружалась в экструзионную линию для получения филаментов WellZoom I, плавилась и перемешивалась в одношнековом экструдере, а затем на выходе из экструдера филамент, находящийся в расплавленном состоянии, вытягивался так, чтобы его диаметр был 1,75 мм - один из трех стандартных диаметров по ГОСТ Р 59100-2020 исходного материала для большинства 3D-принтеров, реализующих экструзионную технологию. Технологические параметры процесса изготовления филамента подбирались таким образом, чтобы полученный филамент имел гладкую поверхность и его диаметр не менялся по длине с точностью до +0,05 мм.
Были изготовлены филаменты из неразбавленного суперконцентрата, а также его смесей с полилактидом в соотношении 1:1; 1:2; 1:3; 1:4; 1:5 и 1:7, что соответствует объемной концентрации технического углерода в композите 27; 14; 9,3; 7; 5,7; 4,7; 3,5% об., соответственно. В табл. 1 приведены технологические параметры, подобранные для получения филамента, пригодного для 3D-печати методом FFF.
Таблица 1
Технологические параметры получения филаментов с различным содержанием технического углерода
Технологические параметры Концентрации технического углерода, v об.%
27 14 9,3 7 5,7 4,7 3,5
Температура в зоне плавления/ Температура на выходе, °С 185/ 183 185/ 183 185/ 183 185/ 183 185/ 183 185/ 183 185/ 183
Скорость выдавливания, мм/мин 1400 1000 1100 1000 1000 1000 1200
Диаметр филамента, мм 1,73 1,75 1,77 1,75 1,75 1,75 1,77
3D-печать образцов. Из полученных филаментов с помощью 3D-npmTepa марки Ender-3 были изготовлены образцы для измерений электрических свойств. Предварительно были подобраны режимы печати: скорость печати; температура сопла; температура рабочего стола; высота слоя.
Для печати всех образцов был выбран один из наиболее часто используемых рисунков заполнения - прямолинейный (Linear), причем направление укладки четных слоев было перпендикулярно направлению укладки нечетных слоев.
Для измерения электропроводности в плоскости образца на постоянном токе изготавливали пластины размерами 50х10х2 мм. Направление укладки составляло 450 к длинной стороне пластины. Количество слоев было четным. Образцы для измерения электропроводности и диэлектрической проницаемости в переменном электрическом поле были изготовлены в виде диска диаметром 30 мм и толщиной 2 мм. В табл. 2 приведены режимы 3D печати образцов.
Таблица 2
Параметр печати образцов _
Параметры Образцы в виде диска Образцы в виде пластины
Скорость печати, мм/сек 40 40
Температура сопла, °С 195 195
Температура стола, °С 70 70
Плотность заполнения, % 100 100
Рисунок заполнения Прямолинейный Прямолинейный
Заглаживание Все верхние поверхности Без заглаживания
Высота слоя, мм 0,08 0,08
Методы измерения электрических свойств образцов. В работе исследовались следующие электрические свойства:
Электропроводность на постоянном токе филаментов вдоль оси филамента - аф.
Электропроводность на постоянном токе вдоль направления укладки четных - adci и нечетных - adc2 слоев.
Электропроводность на постоянном токе перпендикулярно плоскости образца - adc^.
Электропроводность в переменных полях в диапазоне частот 20 Гц -5 МГц - аа^.
Удельная электропроводность на постоянном токе определялась по ГОСТ 20214-74 «Пластмассы электропроводящие. Метод определения удельного объемного электрического сопротивления при постоянном напряжении». Для измерений применялся Измеритель LCR марки LCR-78105G (производство компании GwInstek). Прибор использовался в режиме измерения сопротивления на постоянном токе.
Образцы для измерений аф представляли собой отрезок филамента длиной 50 мм. Образцы для измерения adci и adc2 имели размер 10х10х2 мм и вырезались из пластины 50х10х2 мм таким образом, чтобы стороны квадрата были параллельны или перпендикулярны нитям верхнего слоя. Образцы для измерения adc1- и были изготовлены в виде диска диаметром 30 мм и толщиной 2 мм. Для создания низкоомного контакта образца с прибором использовалась проводящая паста на основе серебра марки MCN-DJ002 (компания Mechanic, Китай). Паста наносилась на плоские грани диска, торцы отрезка филамента и соответствующие торцевые поверхности образцов для измерения adc1 и adc2 и после выдержки 20 мин при температуре 70оС образовывала высокопроводящие электроды. Токовые электроды и электроды напряжения Измерителя LCR попарно присоединялись к образцу, одна пара к одному электроду образца, другая к второму. Требование ГОСТ 20214-74, чтобы сопротивление электродов и контактное сопротивление были как минимум в 100 раз меньше сопротивления образца выполнялось для всех проведенных измерений. Проводилось 3 измерения сопротивления исследуемого образца. Результаты измерений усреднялись.
Электропроводность в переменных полях (aac^) в диапазоне частот 20 Гц -5 МГц при комнатной температуре и в диапазоне температур 20 - 110 °С определялась методом широкодиапазонной диэлектрической спектроскопии с помощью Измерителя LCR марки LCR-78105G (производство компании GwInstek).
Результаты и их обсуждение. В табл. 3 и на рис. 1 приведены зависимости электропроводности на постоянном токе от объемной концентрации технического углерода (v) для филаментов, а также образцов, напечатанных из этих филаментов.
Все концентрационные зависимости, приведенные на рис. 1 имеют вид, типичный для полимерных композитов с электропроводящим наполнителем: в некотором диапазоне концентраций, называемом порогом протекания, наблюдается резкое изменение электропроводности. Обращает на себя внимание тот факт, что если значения
электропроводности в плоскости напечатанных слоёв аас1 и ася ненамного, примерно в 2 раза ниже электропроводности филамента, то алс1- на три - пять порядков ниже аф, причем с уменьшением концентрации наполнителя коэффициент анизотропии электропроводности К= аса/ ас^ увеличивается. Это позволяет сделать вывод, что электропроводность единичного слоя вдоль направления укладки нити близка к электропроводности филамента, перенос же носителей зарядов в перпендикулярном направлении, между соседними нитями, существенно затруднён. Причём как в плоскости образца, так и по толщине.
Таким образом, в напечатанном образце мы имеем два варианта переноса носителей зарядов: вдоль нити и между соседними нитями. При измерении электропроводности ала, основной вклад в нее дают четные слои, перенос носителей зарядов по нечетным слоям практически не заметен. В случае измерения аас2 наблюдается обратная ситуация: основной перенос носителей зарядов осуществляется по нечетным образцам. Половина слоев, составляющие сечения образца практически не дает вклада в электропроводность. Как следствие ала и ала в 2 раза ниже аф.
Таблица 3
Значения электропроводности и коэффициент анизотропии электропроводности (К= она/ а<ь±)
С, % масс V, % об аф а^с1 а^2 а± К= а^с1/ а^о.
45 27 2,610-1 9,910-2 1,3 10-1 6,0 10-4 220
22,5 14 4,56-10"2 2,1110"2 2,1810-2 4,35-10"5 490
15 9,4 1,29 10-2 6,44 10-3 6,23 10-3 3,73-10"6 1 700
12 7,5 4,7-10"3 2,35 10"3 2,22-10"3 7,3-10"7 3 200
9 5,7 1,310-3 6,5-10"4 7,5-10"4 5,110-8 12 000
7,5 4,7 3,07-10"4 1,94 10"4 1,72-10"4 6,810-9 28 000
5,6 3,6 5,22-10"6 3,2110-6 2,9110-6 7,7-10"12 52 000
о
10°1
10-2
1
10- 1
О ю-6! ь
10-8 10-10
10
■ стф
о
Ж ^02
★
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Рис. 1. Зависимости электропроводности на постоянном токе от объемной доли технического углерода для филаментов, а также образцов, напечатанных из этих филаментов
При измерении электропроводности перпендикулярно плоскости образца ал^, ее величина практически полностью определяется переносом зарядов между соседними нитями. То, что ал^ меньше аф или электропроводности единичного слоя вдоль направления укладки нити не вызывает удивления. Электропроводность сплошного, монолитного материала и должна быть выше, чем для случая, когда носителям зарядов требуется огибать поры и преодолевать границы между нитями. Неожиданным является величина этого различия - три порядка и более. Высокая анизотропия электропроводности вдоль и перпендикулярно плоскости слоёв делает исследуемые композиты неприемлемыми для ряда практических применений. Поэтому для расширения областей их применения необходимо разработать параметры печати, значительно снижающие анизотропию электропроводности.
Для образцов композиционных материалов с электропроводящим наполнителем, изготовленных традиционными способами, зависимость электропроводности (а) от объемной концентрации наполнителя (V) для концентраций выше порога протекания ^о) описывается следующим уравнением, выведенным в рамках теории протекания
[5, 6]:
а ~ ан (V - vо)t, (1)
где а - электропроводность композита; ан - электропроводность наполнителя; 1 - критический индекс электропроводности, введенный теорией протекания.
Концентрационные зависимости электропроводности, приведенные на рис. 1 были аппроксимированы зависимостью (1) для того, чтобы определить пороги протекания и критический индекс 1. Результаты аппроксимации приведены в табл. 4.
Таблица 4
Порог протекания и критический индекс I, полученные аппроксимацией концентрационным зависимостей
а Vо 1
аф 0,034 2,15
0,033 2,18
аЛс2 0,034 1,95
ало. 0,046 3,03
Как следует из табл. 4, порог протекания для электропроводности вдоль слоев напечатанных образцов совпадает с порогом протекания для филамента, который можно считать монолитным образцом, изготовленным по традиционной технологии. Порог протекания в направлении, перпендикулярном слоям выше, что коррелирует с величинами электропроводности в этих направлениях. Критические индексы t для концентрационных зависимостей Odci и Odc2, с учётом ошибки эксперимента, близки к 2, т.е. совпадают с величиной t=2, характерной для традиционных композитов c трёхмерной топологией бесконечного кластера. Таким образом, по электропроводности, порогу протекания и критическому индексу t напечатанные образцы близки к образцам, полученным традиционными методами. Следовательно, напечатанные изделия могут использоваться вместо изделий, полученных традиционными методами в тех случаях, когда ток в изделии течёт вдоль слоев.
Для концентрационной зависимости Odc^, критический индекс t равен 3, что существенно выше значения t=2, характерного для традиционных композитов c трёхмерной топологией бесконечного кластера. Причина этого нуждается в дальнейшем исследовании.
На рис. 2 приведены зависимости электропроводности Oac1- образцов с различной концентрацией сажи от частоты электрического поля. Как видно из рисунка, частотные зависимости электропроводности образцов, полученных по экструзионной аддитивной технологии, имеют классический вид для композитов с электропроводящим наполнителем [7, 8] и представляют собой сумму сквозной электропроводности, совпадающей с электропроводностью на постоянном токе (Odc) и релаксационной части (Orel).
Oacf) = Odc + Orelf) = Odc + f n, (2)
С увеличением концентрации сажи уровень Odc увеличивается, а угол наклона Orel в двойных логарифмических координатах уменьшается. Тангенс угла наклона релаксационной части для композита с пороговым значениям концентрации наполнителя представляет собой критический индекс x теории протекания, который наряду с критическим индексом t может дать информацию о структуре композита и механизмах переноса носителей зарядов. Из частотной зависимости электропроводности для композита с концентрацией сажи 4,7% об, наиболее близкой к порогу протекания, было получено, что для исследуемых композиционных материалов x = 0,74, что близко к теоретическому значению 0,72, полученному теорией протекания для случая трехмерных проводящих путей, имеющих структуру Шкловского - де Жена.
1.000Е-05
U 1 .ОООЕ-08 Ч га
О
1,0006-09
1.000Е-11
-14%об -9,4%о6. -5,7%оЕ. -4.7%об
-з,е%об
1.МОЕ-Г 2
1.00Е+01 1.00Е+02 1.006+03 1.00Е+М 1.00Е+06 1.00Е+С6 1.О0Е+07
I Гц
Рис. 2. Частотные ■зависимости электропроводности вас1- для исследуемых образцов с различной объемной концентрацией технического углерода
Выводы:
1. Выполненные в данной работе исследования показали, что ряд электрических свойств образцов, изготовленных с использованием 3D-печати по технологии РБР, отличаются от свойств образцов, изготовленных традиционными методами.
2. Концентрационная зависимость электропроводности вдоль слоёв для напечатанных образцов имеет порог протекания ~3,4% об., совпадающий с порогом протекания для филаментов, из которых были изготовлены образцы. Критический индекс электропроводности 1, с учётом ошибки эксперимента, близок к 2, т.е. совпадает с величиной 1=2, характерной для традиционных композитов с трёхмерной топологией бесконечного кластера. Таким образом, напечатанные изделия могут использоваться вместо изделий, полученных традиционными методами в тех случаях, когда ток в изделии течёт вдоль слоев.
3. Электропроводность напечатанных образцов в направлении перпендикулярно плоскости слоёв имеет порог протекания значительно выше порога вдоль плоскости слоёв. Это свидетельствует о том, что перенос носителей зарядов между соседними нитями, существенно затруднён. Критический индекс 1 равен 3, что существенно выше индекса 1=2, характерного для традиционных композитов с трёхмерной топологией бесконечного кластера. Причина этого нуждается в дальнейшем исследовании.
4. Зависимости электропроводности образцов, полученных по технологии FFF, от частоты электрического поля aac^f) имеют классический вид для традиционных композитов с электропроводящим наполнителем. Для исследуемых композиционных материалов критический индекс x равен 0,74, что близко к теоретическому значению 0,72, полученному теорией протекания для случая трехмерных проводящих путей, имеющих структуру Шкловского - де Жена.
5. Для исследованных композитов наблюдается высокий коэффициент анизотропии электропроводности К= adci/ adc^, причем К возрастает с уменьшением концентрации наполнителя от 220 до 5,2 104.
6. Высокая анизотропия электропроводности вдоль и перпендикулярно плоскости слоёв делает исследуемые композиты неприемлемыми для ряда практических применений. Поэтому для расширения областей их применения необходимо разработать параметры печати, значительно снижающие анизотропию электропроводности.
Научная работа выполняется в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» (национальный проект «Наука и университеты», соглашение № 075-15-2023-116).
Программа «Приоритет 2030» реализуется в рамках федерального проекта «Интеграция» («Развитие интеграционных процессов в сфере науки, высшего образования и индустрии») национального проекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России.
Список литературы
1. Глазырин А.Б., Абдуллин М.И., Басыров А.А., Колтаев Н.В., Кокшарова Ю.А. Электропроводящие материалы для 3D-печати // Вестник Башкирского университета. 2016. Т. 21. №1. С.81-85
2. Кондрашев С.В., Пыхтин А.А., Ларионов С.А. Функциональные материалы, полученные способом FDM- печати // Труды ВИАМ. 2021. №3 (97). С.44-47.
3. Хаширов А.А. Влияние технологических режимов FDM-печати на свойства изделий из полифенилен-сульфона и его композита с дискретным углеродным волокном: дис. ... к-та техн. наук. Нальчик, 2019. 124 с.
4. Контроль пористости формообразующего инструмента из СБС-пластика / А.С. Вивтоненко, Д.А. Так-симбаева, П.А. Петров, Н.С. Шмакова, И.А. Чмутин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 8. С. 680-686.
5. Stauffer D., Aharony A. Introduction to percolation theory. London: Taylor & Francis, 2nd edition, 1994.
195 p.
6. Sahimi M. Applications of percolation theory. London: Taylor & Francis, 1994. 276 p.
7. Torkunov M., Shiyanova K., Verkhova E., Yulovskaya V., Ryvkina N., Melnikov V., Gudkov M., Chmutin I. Powders of rGO-coated polyamide with special electrical properties for SLS 3D printing // Journal of Composite Materials. 2023. V. 57 (14). P. 2233-2242.
8. Chmutin I., Novokshonova L., Brevnov P., Yukhayeva G., Ryvkina N. Electrical properties of UHMWPE/ graphite nanoplates composites obtained by in-situ polymerization method // Polyolefins Journal. V. 4 (1). P. 1-12.
Кондратова Валерия Михайловна, лаборант, [email protected]. Россия, Москва, МИРЭА — Российский технологический университет,
Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Московский Политехнический Университет,
Рывкина Наталья Геннадьевна, канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник, [email protected], Россия, Москва, МИРЭА — Российский технологический университет,
Чмутин Игорь Анатольевич, канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник, [email protected]. Россия, Москва, МИРЭА — Российский технологический университет,
Шмакова Наталья Сергеевна, канд. техн. наук, научный сотрудник, [email protected], Россия, Москва, МИРЭА — Российский технологический университет
FEATURES OF ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF PRODUCTS MADE USING 3D PRINTING BY FFF METHOD FROM
A CARBON-FILLED POLYMER COMPOSITION
V.M. Kondratova, P.A. Petrov, N.G. Ryvkina, I.A. Chmutin, N.S. Shmakova
The paper investigates the electrical properties of samples made _ from a carbon-filled polymer composition using 3D printing by FFF (Fused Filament Fabrication). The technological parameters of the _ filament manufacturing process were selected in such a way that it had a smooth surface and its diameter did not change in length with an accuracy of ± 0.05 mm. It is shown that printed products can be used instead of products obtained by traditional methods in cases where current flows along the layers. To expand their application areas, it is necessary to select printing parameters that reduce the anisot-ropy of electrical conductivity.
Key words: composite material, polylactide, polyethylene, carbon black, electrical conductivity, 3D printing, FFF method.
Kondratova Valeria Mikhailovna, laborant, [email protected], Russia, Moscow, Russia, Moscow, MIREA — Russian University of Technology,
Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, MIREA — Russian University of Technology,
Ryvkina Natalia Gennadievna, candidate of physical and mathematical sciences, researcher, [email protected], Russia, Moscow, MIREA — Russian University of Technology?
Chmutin Igor Anatolyevich, candidate of physical and mathematical sciences, leading researcher, chmutin@mirea. ru, Russia, Moscow, MIREA — Russian University of Technology,
Shmakova Natalia Sergeevna, candidate of technical sciences, researcher, [email protected], Russia, Moscow, MIREA — Russian University of Technology
УДК 621.77.07: 691.175
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-693-694
ВЫБОР РЕЖИМА 3D-ПЕЧАТИ ФОРМООБРАЗУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СВОЙСТВ ФОТОПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Н.И. Чередниченко, П.А. Петров, Б.Ю. Сапрыкин
В работе рассмотрено применение аддитивных технологий для изготовления формообразующего инструмента из фотополимерного светоотверждаемого материала. Выполнено экспериментальное исследование реологических свойств 9 композиций фотополимерного материала, характеризующихся различным сочетанием физико-механических параметров. Установлено влияние скорости сдвига и температуры нагрева на значение динамической вязкости для исследованных композиций фотополимерных материалов. В завершении статьи приводятся рекомендации о применении полученных результатов для последующего выбора режима LCD-печати, учитывая расширение ресурса работы SD-принтера, реализующего технологию «фотополимеризация в ванне».
Ключевые слова. формообразующий инструмент, фотополимер, ДСК-анализ тепловых свойств, 3D-печать, аддитивные технологии, динамическая вязкость, LCD-технология печати.
В аддитивном производстве выделилось направление - быстрое инструментальное производство [1] с применением аддитивных технологий. Быстрое инструментальное производство (rapid tooling) направленно на производство инструментов, инструментальных вставок, эталонов (калибров), штампов и пресс-форм [1]. Изготовление инструмента (оснастки) - один из самых дорогостоящих этапов подготовки производства. Компромисс между временем изготовления инструмента, его стоимостью, сроком службы и требуемой программой изготовления штампованных изделий позволяет применить аддитивные технологии и обеспечить экономический эффект.
Такой подход к изготовлению формообразующего инструмента требует обоснованного выбора аддитивной технологии и материала инструмента для обеспечения точности изготовления и требуемой партии штампованных изделий. В случае выполнения формообразующих операций с тонколистовым металлическим материалом, например, алюминиевыми сплавами толщиной до 0,3 мм, в качестве материала формообразующего инструмента может быть выбран светоотверждаемый фотополимерный материал. Инструмент из подобного материала изготавливается, например, по технологии LCD, которая является разновидностью аддитивной технологии «фотополимеризация в ванне» [9]. Для реализации LCD технологии применяется компактное настольное оборудование. Однако, ресурс такого оборудования не высок из-за не высокого ресурса работы компонентов: LCD-дисплей (матрица), пленка для резервуара, в котором хранится фотополимер при 3D-печати, плата управления.
Срок службы LCD-дисплея, являющимся источником света, составляет более 2000 часов, в отличие от DLP-источников света. Аддитивная технология «фотополимеризация в ванне» основана на засветке фотополимера, помещенного в резервуар, излучением определенной мощности и длины волны. При этом продолжительность засветки может меняться в зависимости от композиции фотополимера, сложности изготавливаемого изделия и износа источника света. Цель данной статьи проанализировать влияние физических, тепловых и реологических свойств фотополимеров на ресурс работы LCD-дисплея. Результаты анализа данного эффекта могут быть использованы для прогнозирования срока службы оборудования и, соответственно, расчета программы выпуска формообразующего инструмента.
Методика исследования. Определение тепловых свойств выполнено методом дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК) с применением прибора компании «Mettler Toledo» для образцов исходного фотополимерного материала, предназначенного для 3D-печати по аддитивной технологии LCD. По результатам испытания определена средняя температура стеклования, а также построена термограмма каждой из композиции исследуемых фотополимеров (смол). Режим проведения опыта по методу ДСК: нагрев в диапазоне 0 - 300 °С со скоростью 20К/мин в среде N2.
На рисунке 1 показаны термограммы исследуемых материалов, полученные методом ДСК. Диапазон исследуемых температур - от -120,0 °С до 100 °С. На рис. 1 стрелками показано направление экзотермического («эк-зо»; выделение тепла) и эндотермического («эндо»; поглощение тепла) эффекта. Характерным переходом, определяющим первый эффект, является кристаллизация. Характерными переходами, определяющими второй эффект, являются: 1) плавление; 2) переходы жидкая- кристаллическая фазы; 3) испарение; 4) переход стеклования. Диапазон температур, в котором наблюдается переход стеклования, составляет от -80,0 °С до -40,0 °С. Для смолы 8 при температуре 80,0-90,0 °С наблюдается пик кристаллизации. Для смол 1-7 и 9 в диапазоне температуры от 60,0 до 100,0 °С проявляется слабый пик плавления. Средняя температура стеклования исследуемых материалов приведены в табл. 1. Для каждой композиции имеется параметр вязкость, заданный производителем фотополимерной композиции.
