CC BY
26
AUTOMATED DESIGN OF TOOLING FOR THE PRODUCTION OF TAPE PREPREGS BASED
ON THERMOPLASTIC POLYMERS
P.E. Kalish, I.N. Fomicheva, V.P. Krasilnikov
A review of the technology for manufacturing prepregs based on thermoplastic polymers was carried out, as well as an analysis of fitting, application for its manufacture. The paper presents the emergency design of the pultrusion head, which is the connection of the pultrusion line. The work created the prerequisites for the continuous production of the developed scheme and the installation of a line for the production of tape prepregs.
Key words: polymer matrix prepregs, tape prepregs, sound design, pultrusion head, impregnation device.
Kalish Pavel Eduardovich, undergraduate, junior researcher, pavel.kalish [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Fomicheva Irina Nikolaevna, postgraduate, junior researcher, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Krasilnikov Vladislav Petrovich, candidate of technical sciences, docent, junior researcher, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9.047.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-589-595
ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ОСНАСТКИ
ДЛЯ ЛИТЬЯ КОМПОЗИТОВ
П.Э. Калиш
Проведен анализ методов изготовления литьевых форм и рассмотрены аддитивные технологии их изготовления. В работе выполнено экспериментальное исследование 3D-печати и гальванопластики для изготовления литьевой оснастки. В результате были определены параметры 3D-печати и гальванического осаждения меди.
Ключевые слова: аддитивные технологии, фотополимерная печать, гальванопластика, химическое и электрохимическое меднение, оснастка для литья композитов.
Введение. В серийном производстве для получения объёмных изделий со сложными геометрическими формами из композитов с термопластичной матрицей применяют метод литья под давлением на ручных, а автоматических литьевых машинах. При этом технологической оснасткой литейных машин является пресс-форма, представляющая собой единую сборную технологическую оснастку и состоящая из базовых и вспомогательных плит, системы выталкивателей, направляющих штифтов и непосредственно самого формообразующего элемента - литьевой формы. Сама литьевая форма состоит из неподвижной матрицы, образующей внешнюю поверхность изготавливаемых изделий, и подвижного пуансона, имеющего более простую геометрию или образующего в свою очередь внутреннюю поверхность изделий.
Как правило, для изготовления литейных форм используют нержавеющие и инструментальные стали, а также алюминиевые сплавы и композиты.
На сегодняшний день существуют следующие методы изготовления матриц и пуансонов литейных форм:
Металлорежущие методы, а именно фрезерование полостей матриц и пуансонов на ЧПУ-фрезерных станках и обрабатывающих центрах;
Электроэрозионная копировально-прошивочная обработка;
Электрохимическая копировально-прошивочная обработка;
Аддитивные методы.
Из всех вышеперечисленных методов изготовления инструментальной оснастки наибольшее распространение получили металлорежущие методы. Это связано с применением высокоточного оборудования с числовым программным управлением, а также с совершенствованием форм, геометрических параметров и материалов режущего инструмента. Ограничениями применения металлорежущих методов является невозможность обработки труднообрабатываемых материалов маложестким инструментом и высокая стоимость инструмента и оборудования, а также низкий коэффициент использования материала.
Для получения высокоточных литейных форм из труднообрабатываемых материалов, применяют электроэрозионные и электрохимические копировально-прошивочные методы обработки, которые позволяют производить матрицы и пуансоны сложной формы с микроэлементами и микрорельефом, которые невозможно получить металлорежущими методами.
Вышеперечисленные методы изготовления литейных форм относятся к методам, основанным на удалении материала. К методам, основанным на «наращивании» материала относят аддитивные методы (аддитивные технологии). К аддитивным методам относят методы 3D-печати, а также гальванопластику, микродуговое оксидирование и т.п.
Прототипирование матриц и пуансонов для литья под давлением может производиться различными аддитивными методами и их комбинациями. Так, например, существует промышленная аддитивная технология изготовления литьевых форм 3D-принтерами ProJet, работающих по технологии MJM (или MJP), разработанная компанией 3D Systems. Данная технология позволяет изготавливать литьевые формы с толщиной слоя от 16 до 32 мкм из специальных инженерных фотополимерных смолы, термопластиков, а также легкоплавкого воска. К недостаткам таких литейных форм относят большую продолжительность их печати (иногда до 2х дней), невысокую прочность по сравнению с металлическими аналогами, малый ресурс, позволяющий производить небольшие партии изделий (от 50 до 150 штук) [1].
Прототипирование пресс-форм, имеющих большой ресурс использования, может быть осуществлено при помощи технологии лазерного селективного спекания (SLS). Но промышленное использование таких пресс-форм затруднено в связи с высокой шероховатостью прототипируемых матриц и пуансонов, высокой стоимостью металлических порошков и оборудования.
Изготовление пресс-форм так же может осуществляться методами гальванопластики и 3D-печати. При этом используются химические и электрохимические методы нанесения покрытий на полимерные оправки. В качестве оправок могут использоваться изделия (оправки или основы), напечатанные по технологиям FDM, SLA, MGM и PolyJet или же изделия, полученные традиционными методами резания, повторяющие точную копию детали, которая должна быть получена в пресс-форме. Здесь достоинствами 3D-печати являются малое время, затраченное на изготовление полимерной оправки, возможность создания сложного постоянного рельефа, не высокая себестоимость [2, 3, 4, 5].
Общая методика изготовления литейных форм методами гальванопластики заключается в следующем:
1. Создание полимерной основы методами резания или методами 3D-печати. В качестве материала основы, напечатанной на 3D-принтере, могут выступать, как экстрагируемые пластики - филамен-ты (ABS, PLA, PA6, Nylon и композитные филаменты на той же полимерной основе, но с добавление стекло- и углеволокна).
2. Создание электропроводного подслоя из меди или никеля на поверхности полимерной основы при помощи химической металлизации [6, 7].
3. Создание толстой корки из меди, никеля, железа, других металлов и сплавов на электропроводном подслое электрохимическими методами металлизации [6, 7].
4. Отделение полимерной основы от металлизированного осадка, полученного гальваническими методами, и его закрепление на основе литейной формы. В качестве такой основы может выступать теплопроводный и теплостойкий материал (пресс-форму необходимо греть при заливке в неё расплавленного пластика), способный фиксировать металлизированный осадок, предавать литейной форме необходимую жёсткость и образовывать базовые поверхности. Такими основами могут являться металлические оправки, изготовленные методами резания и частично или полностью повторяющие форму, образованную металлизированным осадком, или композитные оправки из специальных эпоксидных или фе-нольных смол, наполненных углеволокном.
Преимуществами методов гальванопластики заключаются в возможности создания сложных рельефов на поверхности литейной формы, получения формы высокой точности, перспективности методов, возможности изготовления пресс-форм и высокочистых металлов и сплавов (поверхности пресс-форм), относительно невысокими затратами [3].
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию возможности создания оснастки для литья пластмасс под давлением методом 3D-печати и гальванопластики.
Результаты и обсуждение. В качестве детали, для которой необходимо создать литейную оснастку, была выбрана деталь «гайка», являющаяся частью коннектора электропитания, применяющегося в авиакосмической технике. Данная деталь изготавливается на автоматической литьевой машине из полимера PEEK (полиэфирэфиркетон) при температуре впрыска около 3500C, при этом пресс-форма должна иметь рабочую температуру порядка 2500C. Деталь «гайка» была смоделирована в программе SolidWorks. Она представлена на рис. 1.
На рис. 2 (а, б) представлены 3D-модели прототипируемых основ матрицы и пуансона. Модели состоят из формообразующих поверхностей литейной формы (1), базовых цилиндрических поверхностей под закладной резьбовой знак (2) и внутреобразующую часть пуансона (3), основания с плоскостью разъёма (4), цилиндрических поверхностей под направляющие штифты (5), отверстий для токоподвода при электрохимической металлизации (6) и бурта (7), предназначенного для ограничения металлизируемого осадка.
Печать полимерных основ производилась на фотополимерном 3D-принтере Photon Mono 4K, имеющий монохромную засвечивающую матрицу разрешением 3840x2400 пикселей, при этом размер зоны печати составляет 165x132x80. В качестве фотополимерной смолы, из которой изготавливались
полимерные основы, была выбрана модельная водорастворимая смола от компании Nova3D. В отличие от фотополимерных смол, которые до их засвечивания растворимы в изопропиловом спирте, выбранная смола практически не имеет запахов и является более экологичной.
Рис. 1. Деталь «гайка»
а б
Рис. 2. 3Б-модели прототипируемых основ: а - матрицы; б - пуансона.
Первоначально было напечатано две копии полимерных основ матрицы и пуансона детали «гайка». 3D-печать производилась при толщине слоя в 40 мкм и времени засвети равной 1,5 секунды. При этом детали изготавливались непосредственно на столе 3D-принтера без использования поддержек. В результате этого в процессе отклеивания деталей от стола 3D-принтера, их основа была деформирована и цилиндрические поверхности под направляющие штифты потеряли параллельность между собой. Для решения данной проблемы было решено наклеить полимерные основы на дюралюминиевые пластины при помощи цианокрилатного клея.
В качестве токоподводов выступал медный одножильный провод, который был укреплён в полимерных основах при помощи цианокрилата и той же фотополимерной смолы, из которой изготовлены сами детали (в местах примыкания поверхности провода и гальванизированной поверхности). Для защиты дюралюминиевых пластин, токоподводов и некоторых поверхностей полимерных основ от химической металлизации был использован цапонлак (раствор нитроцеллюлозы в органическом растворителе), который наносился в несколько слоёв. На рис. 3 представлены полимерных основ матрицы и пуансона детали «гайка» подготовленные к гальванопластике.
Рис. 3. Полимерные основы матрицы и пуансона детали «гайка», подготовленные к гальванопластике. 591
В процессе сушки цапонлака электрическим проточным обогревателем одна из полимерных основ матрицы начала разрушаться. На рис. 4 видны трещины на рёбрах детали. Трещинообразование связано с деформациями полимера, вызванными в процессе нагрева, остаточными напряжениями в детали из-за её деформации в процессе приклеивания к дюралюминиевой пластине и некачественным приклеиванием центра основания.
Для создания токопроводного подслоя была выбрана химическая металлизация медью в связи с тем, что раствор химического меднения не нуждается в нагреве в отличие от раствора химического никелирования, который необходимо нагревать в процессе работы до 80-950С [7]. При этом раствор химического меднения более сложен в приготовлении и нуждается в постоянном контроле уровня рН в процессе работы.
IV-
Рис. 4. Полимерная основа матрицы с трещинами, образованными в процессе сушки.
Процесс химической металлизации проходил по следующим этапам:
1. Химическое обезжиривание полимерных основ в ультразвуковой ванне в растворе трина-трийфосфата и карбоната натрия в течении 10-15 минут при температуре до 400С;
2. Травление поверхности в растворе серной кислоты и хромового ангидрида в течении 3-4 минут;
3. Нейтрализация в растворе соляной кислоты в течении 1 минуты;
4. Сенсибилизация поверхности основ в растворе соляной кислоты и хлорида олова в течении 2-3 минут;
5. Активация поверхности основ в растворе азотнокислого серебра в течении 0,5-4 минут;
6. Химическое меднение в растворе на основе трилона-Б [6, 8] на протяжении 2-3 часов.
После каждого этапа, вышеописанного процесса, полимерные основы тщательно промывались
сначала в стоячей, а затем в проточной воде.
В процессе обезжиривания поверхности полимерных основ произошло полное отслоение изолирующего нитроцеллюлозного покрытия на дюралюминиевой пластине из-за попадания раствора обезжиривания через микропоры в покрытии и реакции с алюминием. В результате этого дюралюминиевая пластина, приклеенная к полимерной основе пуансона, также была замеднена (См. рис. 5б). Дюралевая пластина полимерной основы матрицы после процесса обезжиривания была дополнительно покрыта цапонлаком, поэтому на ней не произошло осаждение меди (См. рис. 5а).
На рис. 5 представлены полимерные основы матрицы и пуансона с созданным на них электропроводным медным подслоем.
Из рис. 5, а видно, что не вся поверхность полимерной основы покрылась медью, что связано как с проблемами самого раствора меднения, так и с растворами подготовки поверхности, в частности травления. Опытным путём было выяснено, что используемый полимер не травится ни в серной, ни в соляной кислоте, но способен разрушаться в азотной кислоте и щёлочи (изделия становятся хрупкими и расслаиваются). После этого были проведены дополнительные испытания растворов сенсибилизации и активации на оставшихся полимерных основах с целью получения более равномерного медного токо-проводного подслоя.
На рис. 6 представлена полимерная основа пуансона с осаждённым слоем меди на ранее созданный электропроводный подслой. Процесс меднения проходил в течении 10 часов при токе в 1,1В в сернокислом электролите с добавкой тиомочевины в качестве блескообразования [6, 7]. В данном случае блескообразователь служил индикатором прохождения процесса осаждения меди на той или иной поверхности. По истечению 10 часов было принято прекратить процесс меднения в связи с началом быстрого роста дендритов на выступающих поверхностях полимерной основы и полным прекращением процесса металлизации плоскости разъёма. При этом толщина медного покрытия на плоскости разъёма составляла всего 100-120 мкм, что мало для продолжения дальнейшего процесса создания пресс-формы.
В связи с этим было принято решение изготовить ещё одну копию полимерных основ матрицы и пуансона детали «гайка» при этом была изменена их конструкция - увеличена толщина основания и уменьшена высота бурта, изменено положение отверстия для токоподвода (отверстие по центру). Так же теперь детали печатались на некотором расстоянии от стола 3D-принтера на поддержках. В результате этого удалось избежать деформации геометрии полимерных основ.
а б
Рис. 5. Полимерные основы с созданным на них токопроводным медным подслоем:
а - матрицы; б - пуансона
Рис. 6. Полимерная основа пуансона с осаждённым слоем меди на ранее созданный
электропроводный подслой
На рис. 7 представлена полимерная основа пуансона новой конструкции с осаждённым слоем меди, который осаждался в течении 20 часов. Процесс электрохимической металлизации был остановлен в связи с быстрым ростом дендритов, хотя сама металлизация производилась в более крупной гальванической ванне при постоянном перемешивании электролита. Также на начальных этапах использовались специальные диэлектрические заглушки из фторопласта, которые одевались на выступающие части полимерной основы для осаждения более толстого слоя на плоскость разъёма.
Рис. 7. Полимерная основа пуансона новой конструкции с осажденным слоем меди.
Дальнейшим этапом являлось удаление полимерной основы с полученного медного осадка. В связи с тем, что выбранный полимер оказался трудно растворим химическими методами, было принято решение выжечь его в печи при температуре в 4500С. В результате нагрева полимерной основы с осаждённым медным слоем, полимер деформировался и разрушил медную корку. Минимальная толщина корки составила порядка 190 мкм - в углах смежных поверхностей, что мало для формирования полноценной рабочей части пресс-формы.
Выводы. В результате проведённых экспериментов по исследованию возможности создания оснастки для литья пластмасс под давлением методом 3D-печати и гальванопластики можно сделать следующие выводы:
1. В качестве полимера для изготовления полимерной основы необходимо использовать химически растворимые термостабильные фотополимерные смолы.
2. Необходима более тщательная проработка конструкции полимерных основ в связи плохим осаждением металла в углах смежных поверхностей. Решением данной проблемы может служить также изменение конструкции анода, применяемого при электрохимической металлизации, и проводить процесс при малых межэлектродных зазорах.
3. Медь не вполне подходит в качестве осаждаемого металла на полимерную основу в связи с быстрым ростом дендритов и низкой достигаемой плотности тока в процессе электрохимической металлизации. Так же растворы электрохимического меднения обладают меньшим сопротивлением, в отличии от растворов никелирования, что сказывается на неравномерности покрытия.
Работа была выполнена в рамках государственного задания по молодежной лаборатории. Тематика: Исследование газопроницаемости и физико-химических свойств уплотнительных композиционных и углеродных материалов (FEWG-2021-0014).
Список литературы
1. 3D-печать пресс-форм: Globatek 3D - профессиональное 3D-оборудование. Текстовые дан. [Электронный ресурс] URL: https://3d.globatek.ru/3d-printers/press forms (дата обращения: 10.11.2022).
2. Любимов В.В., Саломатников М.С. Технология синтеза многослойных систем на полимерных основаниях, полученных методом быстрого прототипирования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2013. Вып. 9. Ч. 2. С. 336-334.
3. Любимов В.В., Пермяков Д.Г. Технология изготовления технологической оснастки с применением прототипированных оправок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2013. Вып. 7. Ч. 2. С. 272-285.
4. Martinho P.G., Bartolo P.J., Pouzada A.S. Hybrid moulds: Effect of the moulding blocks on the morphology and dimensional properties // Rapid Prototyping Journal. 2009. №15 (1). С. 71-82.
5. Pouzada A.S. Hybrid moulds: A case of integration of alternative materials and rapid prototyping for tooling // Virtual and Physical Prototyping. 2009. Volume 4. №4. P. 195-202.
6. Ильин В.А. Металлизация диэлектриков // Библиотечка гальванотехника, 1977. Вып. 8. Л.: Машиностроение, 1977. 80 с.
7. Гальванотехника: Справ. Изд. / Ф.Ф. Ажогин, М.А. Белинский, И.Е. Галль и др. М.: Металлургия, 1987. 736 с.
8. Химическая металлизация комплексом серебра: Whoby.Ru - сообщество радиолюдителей. [Электронный ресурс] URL: http ://whoby.ru/page/aktivagam (дата обращения: 10.11.2022).
Калиш Павел Эдуардович, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
APPLICA TION OF ADDITIVE TECHNOLOGIES FOR MANUFACTURE OF TOOLING FOR COMPOSITE MOLDING
P.E. Kalish
The methods of manufacturing injection molds are analyzed and additive manufacturing technologies are considered. An experimental study of 3D printing and electroplating for the manufacture of injection molding tooling has been carried out. As a result, the parameters of 3D printing and galvanic deposition of copper were determined.
Key words: additive technologies, photopolymer printing, electroplating, chemical and electrochemical copper plating, tooling for composite molding.
Kalish Pavel Eduardovich, student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
