CC BY
8СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК 631.55 статья поступила 13.07.2023
А.В. Белавин, студент, ИТИ, ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», г. Тюмень;
Т.А. Бучельникова, старший преподаватель, ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», г. Тюмень
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ВИДА СИЛИКОНА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ МЯГКИХ
ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ЗАХВАТОВ ДЛЯ СБОРА ПЛОДОВ И ОВОЩЕЙ
В работе рассматривается проблема подбора материала для изготовления конструкций мягких пневматических захватов. Проведя сравнительный анализ представленных на рынке различных видов материалов, был выбран силиконовый компаунд на основе платины, который имеет значительные преимущества по сравнению с силиконовым компаундом на основе олова, а также наиболее подходит по физическим свойствам.
Ключевые слова: пищевой силикон, мягкий захват, силиконовый компаунд, пневматический захват, деформация, твердость по Шору, давление, прочность на разрыв, эластичность.
A.V. Belavin, T.A. Buchelnikova
Northern Trans-Ural State Agricultural University
RECOMMENDATIONS FOR CHOOSING THE TYPE OF SILICONE FOR THE MANUFACTURE OF STRUCTURAL ELEMENTS OF SOFT PNEUMATIC GRIPPERS FOR PICKING FRUITS AND VEGETABLES
In the work "Recommendations for the choice of the type of silicone for the manufacture of structural elements of soft pneumatic grippers for picking fruits and vegetables", the problem of selecting a material for the manufacture of soft pneumatic gripper structures is consecrated. After comparing various types of materials on the market, the platinum-based silicone compound was selected, which has significant advantages over tin-based silicone compound, and is also the most suitable in terms of physical properties.
Key words: food silicone; soft grip; silicone compound; pneumatic grip; deformation; Shore hardness; pressure; tensile strength; elasticity
В настоящее время большое применение получили материалы на основе композитов. К их числу относятся также и силиконовые компаунды, которые имеют достаточно широкое применение не только в мягкой робототехнике, но и в сельском хозяйстве, в частности, для изготовления мягких пневматических захватов для роботов, применяемых для захвата плодов и овощей [1].
Силикон - это материал, который получают путем химического синтеза полимеров. По некоторым качествам силикон очень похож на резину, хотя с экологической точки зрения его уместно сравнивать только с натуральным каучуком, поскольку он изготавливается из природного материала - кварцевого песка или кремнезема (SiO2). Формально - это искусственный каучук с широким спектром специально созданных свойств.
Другое определение: силиконовый компаунд или силиконовая резина - это двух-компонентный материал, состоящий из силиконовой основы и отвердителя, после сме-
шивания которых происходит процесс полимеризации и полученная смесь затвердевает, образуя однородную структуру, напоминающую резину1.
Целью настоящего исследования является изучение свойств силикона для дальнейшего применения его при изготовлении элементов конструкций мягких захватов роботов, предназначенных для работы с продукцией сельского хозяйства.
Материалы и методы исследования. В статье выполнен аналитический обзор источников информации.
Результаты исследования. Силиконовый компаунд используется в производстве для изготовления декоративных изделий, в кулинарии для создания блюд и выпечки, так же широкое применение силикон нашел при производстве высокотемпературных прокладок и профилей для обеспечения герметичности сосудов под давлением и т.д.
Основное различие силиконовых компаундов заключается в их основе. Существуют силиконы на основе олова и платины. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
Силиконовый компаунд на основе олова имеет следующие преимущества:
1) невысокая стоимость;
2) устойчивость к ингибиторам;
3) более экономичен.
К недостаткам этого вида силикона можно отнести:
Небольшой срок службы - до 5 лет, имеет тенденцию становиться хрупким после нескольких лет использования и начинает расщепляться или рваться.
При изготовлении имеется усадка, поэтому такой компаунд применяется для менее ответственных изделий, например, при изготовлении форм для различных декоративных изделий (рис. I)2.
Силиконовый компаунд на основе платины имеет следующие преимущества:
1. Материал не токсичен, не содержит бисфенол А, ПВХ, фталатов, кадмия, тяжелых металлов типа свинца, свободен от нитрозаминов.
2. Силикон не имеет запаха и вкуса, не впитывает запахи.
3. Материал не способствует росту грибков, образованию плесени и развитию
1 Смирнов, Е. С. Силикон и его применение в промышленности / Е. С. Смирнов. - Текст : электронный // 5drops.ru: блог компании "Пять Капель". - 2021. - URL: https://5draps.m/blog/statya/süikon-i-ego-primenenie-v-pramyshlennosti/ (дата обращения: 13.05.2023).
2 skb-077.ru : информационная платформа : сайт. - URL: https://www.skb-077.ru/about (дата обращения 13.05.2023). - Текст : электронный.
Рис. 1. Форма для выпечки
бактерий.
4. Силикон устойчив к воздействию высоких температур, ультрафиолета, микроволн и даже замораживанию. Это говорит о том, что изделия можно кипятить, стерилизовать в специальной посуде в микроволновой печи, помещать в морозильную камеру, а также обрабатывать антисептическими средствами.
5. Обладает пластичностью, при этом изделия упругие и прочные, но очень простые в уходе.
6. Практически не имеет усадки.
7. Срок службы может быть до 20 лет.
В то же время имеются некоторые недостатки, хотя абсолютный вред при использовании данного вида силикона с пищевыми продуктами не доказан. Но это не значит, что стоит, не раздумывая, использовать изделия из данного вида силикона при контакте с пищевыми продуктами. Необходимо учитывать следующее:
1. Высокая стоимость.
2. Изделиям нужен специальный уход.
3. Возможное вхождение в состав пластика.
4. Неустойчивость к открытому огню, деформация при высоких температурах.
5. Вероятная токсичность.
6. Легко повреждаются при механическом воздействии1.
При выборе силикона необходимо учитывать также физические свойства материала. Важным является выбор твердости материала. Показатель твердости силикона определяется по шкале Шора. В соответствии со стандартом ASTMD 2240, существует 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты А (для мягких материалов) или D (для более твердых). Обычно твердость указывается в наименовании силиконового компаунда.
Силикон с высоким показателем твердости применяется для больших и наиболее прямолинейных форм. Для мелких изделий с более сложной формой выбирают более мягкий силикон. Для изготовления заданных конструкций показатель твердости нужно выбирать в пределах 10-40 единиц [2-6].
Важным показателем является линейная усадка - это уменьшение объема и линейных размеров конструкции в процессе отливки.
В процессе изготовления важным показателем является время жизни - это период, в течение которого силикон имеет минимальную вязкость, затем силикон начинает быстрыми темпами затвердевать. Наиболее оптимальное время жизни - 25-35 мин.
Также важным показателем при изготовлении будет являться время отверждения смеси, т.е. период, за который силикон набирает заявленную твердость и эластичность. Это время должно быть не более 24 часов
Элементы конструкций пневматического захвата для плодов и овощей в рабочем состоянии находятся под давлением. Так как силикон - это эластичный материал, то данные элементы конструкции при подаче внутреннего давления подвергаются деформации. Следовательно, необходимо выбирать материал, учитывая показатель прочности на разрыв.
Исследование силикона играет важную роль в разработке конструкции мягкого захвата. При создании и выборе конструкции мягкого пневматического захвата существует две основные проблемы: выбор оптимальной геометрической формы для достижения заданных результатов, а также выбор материала [7-8].
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1 kondishop.com.ua: информационная платформа : сайт. - URL:
https://kondishop.com.ua/blog/vreden-li-pishevoi-silikon/ (дата обращения 13.05.2023). - Текст : электронный.
Наиболее подходящим видом силикона для изготовления элементов конструкций пневматических захватов для плодов и овощей будет силиконовый компаунд на основе платины (пищевой силикон), имеющий значительные преимущества по сравнению с силиконовым компаундом на основе олова.
К наиболее важным достоинствам данного вида силикона можно отнести использование в работе с пищевыми продуктами. Твердость силикона по Шору должна составлять не более 40 единиц. Деформация при растяжении - в пределах 400%. Время жизни -25-35 минут. Время отверждения - не более суток.
Библиографический список
1. Бучельникова, Т. А. Обзор конструкций мягких захватов для сбора плодов и овощей / Т. А. Бучельникова, В. С. Панов, Н. Н. Устинов. - Текст : непосредственный // Агропродовольственная политика России. - 2022. - № 4-5. - С. 7-17.
2. Elfferich, J. F. Soft Robotic Grippers for Crop Handling or Harvesting: A Review / J. F. Elfferich, D. Dodou, C. D. Santina. - Text : unmediated // IEEE Access. - 2022. - Pp. 75428-75443 - DOI 10.1109/ACCESS.2022.3190863.
3. Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers / L. Ge, T. Wang, N. Zhang [and etc]. - Text : unmediated // Journal of Visualized Experiments. - 2018. -Vol. 138. - DOI 10.3791/58277.
4. Rotary actuators based on elastomeric structures with pneumatic drive / X. Gong, K. Yang, J. Xie [and etc]. - Text : unmediated // Additional Materials. - 2016. - Vol. 28. - DOI 10.1002/adma.201600660.
5. Parallel Helix Actuators for Soft Robotic Applications / J. H. Chandler, M. Chauhan, N. Garbin [and etc]. - Text : unmediated // Frontiers in Robotics and AI. - 2020. - Vol. 7.
6. Konishi, S. Flexible pneumatic twisting actuators / S. Konishi. - Text : unmediated // Transducers. - 2013. - Рр. 1687-1690.
7. Бучельникова, Т. А. Экспериментальное исследование материалов для изготовления мягких актуаторов на растяжение / Т. А. Бучельникова, В. С. Панов, Н. Н. Устинов. - Текст : непосредственный // Неделя молодежной науки - 2023. Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции, Тюмень, 01-31 марта 2023 года. - Тюмень : ГАУ Северного Зауралья, 2023. - С. 33-39. - EDN IFNMQJ.
8. Бучельникова, Т. А. Исследование параметров поворотного актуатора для использования в конструкциях захватов для плодов и овощей / Т. А. Бучельникова, В. С. Панов, Н. Н. Устинов. - Текст : непосредственный // АгроЭкоИнфо. - 2022. - № S5-1. -DOI 10.51419/20212S1104. - EDN HHRZPW.
References
1. Buchel'nikova, T. A. Obzor konstrukcij myagkih zahvatov dlya sbora plodov i ovoshchej / T. A. Buchel'nikova, V. S. Panov, N. N. Ustinov. - Tekst : neposredstvennyj // Agroprodovol'stvennaya politika Rossii. - 2022. - № 4-5. - S. 7-17.
2. Elfferich, J. F. Soft Robotic Grippers for Crop Handling or Harvesting: A Review / J. F. Elfferich, D. Dodou, C. D. Santina. - Text : unmediated // IEEE Access. - 2022. - Pp. 75428-75443 - DOI 10.1109/ACCESS.2022.3190863.
3. Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers / L. Ge, T. Wang, N. Zhang [and etc]. - Text : unmediated // Journal of Visualized Experiments. - 2018. -Vol. 138. - DOI 10.3791/58277.
4. Rotary actuators based on elastomeric structures with pneumatic drive / X. Gong, K. Yang, J. Xie [and etc]. - Text : unmediated // Additional Materials. - 2016. - Vol. 28. - DOI 10.1002/adma.201600660.
5. Parallel Helix Actuators for Soft Robotic Applications / J. H. Chandler, M. Chauhan, N. Garbin [and etc]. - Text : unmediated // Frontiers in Robotics and AI. - 2020. - Vol. 7.
6. Konishi, S. Flexible pneumatic twisting actuators / S. Konishi. - Text : unmediated // Transducers. - 2013. - Rr. 1687-1690.
7. Buchel'nikova, T. A. Eksperimental'noe issledovanie materialov dlya izgotovleniya myagkih aktuatorov na rastyazhenie / T. A. Buchel'nikova, V. S. Panov, N. N. Ustinov. - Tekst : neposredstvennyj // Nedelya molodezhnoj nauki - 2023. Sbornik trudov Vserossijskoj nauch-no-prakticheskoj konferencii, Tyumen', 01-31 marta 2023 goda. - Tyumen' : GAU Severnogo Zaural'ya, 2023. - S. 33-39. - EDN IFNMQJ.
8. Buchel'nikova, T. A. Issledovanie parametrov povorotnogo aktuatora dlya ispol'zovaniya v konstrukciyah zahvatov dlya plodov i ovoshchej / T. A. Buchel'nikova, V. S. Panov, N. N. Ustinov. - Tekst : neposredstvennyj // AgroEkoInfo. - 2022. - № S5-1. - DOI 10.51419/20212S1104. - EDN HHRZPW.
Контактная информация:
Белавин Александр Витальевич. E-mail: [email protected] Бучельникова Татьяна. E-mail: [email protected]
