CC BY
30<Тешетневс^ие чтения. 2016
УДК 67.02, 681.6
ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ КАРКАСА СТАТОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА
С. А. Акарачкин, Д. В. Ермаков, М. И. Шинкевич
АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634041, г. Томск, просп. Кирова, 56в E-mail: [email protected]
Для исследования возможностей аддитивной технологии на FDM- и SLS-принтерах напечатаны каркасы статора электродвигателя-маховика, применяемого в системе ориентации космического аппарата. Каркасы подвергались воздействию внешних неблагоприятных факторов, таких как вакуум, повышенные температура и влажность. Наиболее перспективной показала себя печать по SLS-технологии из порошкообразного полиамида.
Ключевые слова: аддитивная технология, электродвигатель-маховик, SD-принтер, прототипирование, стойкость к внешним воздействующим факторам.
APPLYING ADDITIVE TECHNOLOGY TO PRODUCE THE FRAMEWORKS OF ELECTRICAL DRIVE-FLYWHEEL
S. A. Akarachkin, D. V. Ermakov, M. I. Shinkevich
SC «Scientific & Industrial Centre «Polyus»
56v, Ких^а Av., Tomsk, 634041, Russian Federation E-mail: [email protected]
The frameworks of electrical drive-flywheel, which is used at orientation system of satellites, are printed to test the additive technology. The printing is done by FDM and SLSprinters. The frameworks have been exposed to unfavorable external factors such as vacuum, elevated temperature and humidity. SLS technology of printing by powder of polyamide is identified as the most promising one.
Keywords: additive technology, electrical drive-flywheel, 3D-printer, prototyping, resistance to external factors.
Традиционная технология производства деталей при помощи инструментальной обработки заготовок с удалением материала имеет ряд недостатков: большое количество отходов после обработки, необходимость применения различной технологической оснастки и обрабатывающего инструмента.
В перспективе на замену традиционной может прийти аддитивная технология, основанная на построении требуемой детали добавлением материала и реализующая прямое преобразование цифровой модели изделия в физический объект, минуя инструментальную обработку. Технологическое оборудование, работающее по аддитивной технологии, получило название «3D-принтеры», а процесс изготовления изделия - «3D-печать».
В настоящее время разработано множество методов 3D-печати с возможностью использования разнородных материалов: пластмасс, металлов и керамики.
В рамках исследовательской работы были напечатаны каркасы статора электродвигателя-маховика, применяемого в системе ориентации космического аппарата. Печать каркасов с внутренним диаметром 72 мм (см. рисунок) из пластиков типа ABS и HIPS осуществлялась послойным укладыванием нити расплава (FDM-принтер), а также из порошкообразного полиамида Nylon методом селективного лазерного спекания (SLS-принтер).
Внешний вид каркаса статора электродвигателя-маховика
Для оценки эксплуатационных характеристик каркасов, изготовленных методом 3D-печати, была составлена следующая программа испытаний:
- измерение геометрических размеров согласно конструкторской документации;
- проведение термоциклирования (± 60 °С, три цикла воздействия температуры, время выдержки при каждой температуре 2 ч);
- повторное измерение геометрических размеров;
- определение показателей газовыделения материалов в соответствии с ГОСТ Р 50109-92;
- измерение влагопоглощения материалов после выдержки при относительной влажности (95±5) % и температуре 20-25 °С в течение 3 суток.
При измерении исходных геометрических размеров каркасов установлено, что наименьший из значе-
Технология и ме%атронщр в машиностроении
ний имеет размер каркаса, напечатанного на SLS-принтере. Большинство измеренных размеров имели идентичное отклонение от значений, заданных в конструкторской документации. Стоит ожидать у данного способа печати стабильных показателей повторяемости геометрии напечатанных изделий при серийном производстве.
По абсолютному отклонению размеров (0,05-0,15 мм) оба рассмотренных метода печати (SLS и FDM) схожи.
При изготовлении изделий точной механики методом 3D-печати нужна лишь минимальная финишная постобработка для доведения рабочих размеров до требуемых. С этой целью при подготовке 3D-модели в САПР потребуется задать необходимые припуски. Даже с учетом доработки трудозатраты на готовые изделия, созданные таким методом, значительно ниже, чем при традиционной технологии изготовления с помощью механической обработки заготовок или применении пресс-форм для литья пластмасс под давлением, что становится особо экономически невыгодно при мелкосерийном производстве.
Повторное измерение размеров каркасов после воздействия термоциклов показало, что отклонение размеров относительно первоначальных показателей различно при изготовлении по технологии FDM (max = 0,4 мм) и SLS (max = 0,1 мм). Большее значение данного парметра у каркасов, изготовленных по FDM-технологии, можно объяснить наличием в материале в исходном состоянии множества мелких расслоений, вызванных несоблюдением оптимального режима печати. Воздействие знакопеременных температур могло послужить причиной увеличения размеров трещин (зазоров между слоями материала), что в конечном итоге сказалось на габаритах каркаса.
Определение газовыделения материалов каркасов дало следующие результаты (табл. 1).
При нормальных значениях потери массы не более 1 % и летучих конденсирующих веществ не более 0,1 % наиболее газящим материалом показал себя пластик HIPS. Исходя из этого он не может быть рекомендован для производства изделий вакуумной техники.
Из всех рассмотренных пластиков наилучшими показателями обладает ABS. Его применение не требует предварительной операции дегазации деталей перед установкой в изделия.
Материал Nylon показал повышенное значение потери массы. Детали из этого пластика потребуют предварительной дегазации либо покрытия малогазя-щим полимерным составом, например лаком или компаундом.
Завершающим этапом комплексных испытаний каркасов было определение влагопоглощения мате-
риалов, из которых они изготовлены. Полученные данные представлены в табл. 2.
Таблица 2
Показатели влагопоглощения каркасов
Материал Влагопоглощение, %
ABS 0,63
HIPS 0,26
Nylon 0,56
Влияние адсорбированной влаги на сопротивление изоляции пластиков, используемых для 3D-печати, не исследовалось по причине отсутствия образцов требуемой по ГОСТ 6433.2-71 формы. Стойкость к воздействию влаги определялась косвенно по измерению массы образцов.
На основании измеренных показателей влагопог-лощения можно сделать вывод о пригодности испытанных пластиков к эксплуатации в условиях влажного климата. Для сравнения: широко применяемые в изделиях АО «НПЦ «Полюс» литьевой полиамид 610-Л-СВ ГОСТ 10589-87 и полиамид ПА66-КС ОСТ 6-11-498-79 имеют влагопоглощение 1,4 и 3,3 % соответственно.
Экономическая выгода 3D-печати велика при мелкосерийном производстве, где нецелесообразны методы автоматизации и часто требуется изготовление дополнительной технологической оснастки. Стоит отметить в этом случае минимальную постобработку деталей при жестких требованиях к чистоте поверхности и допусках на размеры.
Среди рассмотренных технологий 3D-печати наиболее перспективным выглядит селективное лазерное спекание (SLS). Абсолютное значение отклонений размеров при использовании этого метода не превышает 150 мкм. Он также обеспечивает отличную повторяемость геометрии. При проектировании изделий в САПР потребуется лишь припуск на постобработку с учетом погрешности печати.
У деталей, изготовленных по FDM-технологии, при внешнем осмотре обнаружены расслоения, что говорит о неправильно подобранных температурных режимах печати и скорости подачи материала из сопла головки экструдера. При согласованном режиме печати подобных расслоений в изделиях быть не должно.
Рассмотренные пластики ABS и Nylon показали низкое газовыделение в условиях вакуума, что позволяет рекомендовать их к применению в составе приборов типа «Агат» разработки АО «НПЦ «Полюс».
Вместе с тем по прочностным показателям материал Nylon уступает применяемым в настоящее время на предприятии полиамидам 610-Л-СВ и ПА66-КС, имеющим модуль упругости около 7 000 МПа. У него этот показатель составляет 1 700 МПа. В целом же пластик Nylon имеет достаточные прочностные характеристики для применения в качестве конструкционного материала: прочность при статическом изгибе не менее 45 МПа, прочность при растяжении не менее 48 МПа, удлинение при разрыве 5 %.
© Акарачкин С. А., Ермаков Д. В., Шинкевич М. И., 2016
Таблица 1
Параметры газовыделения материалов каркасов
Материал Потеря массы, % Летучие конденсирующие вещества, %
ABS 0,74 0,05
HIPS 2,2 0,3
Nylon 1,2 0,1
