Обеспечение производства изделий ракетно-космической техники с применением технологии послойного наплавления материала

Язык труда и переводы:
УДК:
80.12
Дата публикации:
04 января 2022, 15:40
Категория:
Секция 11. Наукоемкие технологии в ракетно-космической технике
Авторы
Борзов Константин Эдуардович
Филиал АО «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» – КБ «Арматура»
Аннотация:
Рассмотрены области применения новых материалов для изготовления изделий для максимального использования преимуществ и возможностей технологии послойного наплавления материала с учетом специфики единичного и мелкосерийного производства. Подобраны материалы и изготовлены опытные образцы изделий для отработки устойчивости к циклическим нагрузкам в производственных условиях с оптимальной стратегией внутреннего заполнения. Отработан процесс изготовления армированных полимерных изделий, выполненных по технологии послойного наплавления материала с внутренней гироидной структурой и заполнением объема химическим раствором на основе полиэтиленполиамина и двуокиси титана, что позволяет значительно сократить цикл производства, в два раза повысить прочностные характеристики изделий и обеспечить возможность работы при высоких температурах. Получены функциональные детали сложной конфигурации с внутренней структурой, которую невозможно выполнить фрезерованием или методом литья под давлением.
Ключевые слова:
технология послойного наплавления материала, термопластичные полимеры, внутренняя макроструктура, технологические свойства
Основной текст труда

Современное промышленное производство требует совершенствования существующих и создания новых подходов к производству изделий. Для решения производственных задач требуется развитие и внедрение принципиально новых технологических методов, новых материалов, оборудования и систем обработки данных. В этом процессе конструкторско-технологическая подготовка, поиск решений по сокращению издержек, минимизации трудоемкости и цикла изготовления выпускаемой продукции являются основными задачами. Перспективно, в ряде случаев, замена отдельных деталей с традиционных металлов на полимерные композитные материалы. Поэтому оценка возможности и интеграции технологии послойного наплавления материала для изготовления изделий из полимеров и гибки малых листовых деталей, является актуальной задачей [1].

Основное отличие технологии послойного наплавления материала от традиционных методов обработки деталей на металлорежущих станках заключается в том, что изделие создается послойным выращиванием объема с точным воспроизведением формы [2]. Данный метод экономически целесообразен благодаря отсутствию необходимости в дополнительной оснастке, термообработке и нанесении гальванических покрытий, малый расход электроэнергии при изготовлении деталей. Применение особенно эффективно в опытном, единичном и мелкосерийном производстве, когда требуется часто вносить изменения в конструкцию деталей и соответственно постоянно корректировать оснастку или изготавливать новую для опытных образцов изделий [3].

В качестве расходных материалов для изготовления деталей применяют термопластичные полимеры и композиты на их основе. В зависимости от технологических свойств и условий эксплуатации они имеют различную область применения в производстве. При предельных нагрузках, не превышающих предела прочности материала, моделирующую оснастку для изготовления тонколистового профиля, детали испытательных стендов, оправок и изоляторов для ЛКП, зажимную оснастку можно выполнять по технологии послойного наплавления материала [4]. Недостатком технологии является невысокая скорость печати при изготовлении крупногабаритных нагруженных изделий, в конструкции которых рабочие поверхности подвергаются сильному износу.

Для расширения области применения новых термопластичных полимеров, компенсации цикла печати по технологии послойного наплавления, повышения прочностных и износостойких характеристик изделий необходимо отработать ряд параметров, таких как создание оптимальной внутренней макроструктуры, плотность и форму заполнения внутреннего объема изделия. Важно отработать алгоритм управляющей программы и процесс армирование металлическими вставками поверхностей, подвергающихся постоянному износу. 

Для достижения поставленных задач были проведены исследования механических свойств образцов из термопластичных материалов ABS (полиакрилонитрилбутадиен-стирол), MID (композит на основе полиамида 6), PLA (полилактид) с различной толщиной стенки и внутренним заполнением образцов:

  • гироидной внутренней структурой, заполнением материала 20 %;
  • четырехгранной внутренней структурой, заполнением материала 20 %;
  • гироидной внутренней структурой, заполнением эпоксидной смолой на основе полиэтиленполиамина 100 %;
  • гироидной внутренней структурой, заполнением эпоксидной смолой на основе двуокиси титана 100 %.

Исходя из полученных результатов прочностных, деформационных характеристик и усадки изучаемых образцов, можно сделать вывод, что изделия, выполненные печатью с внутренней гироидной структурой, и заполнением объёма химическим раствором эпоксидной смолы с отвердителем на основе полиэтиленполиамина и двуокиси титана, позволяют значительно сократить цикл печати изделия и повысить прочностные характеристики конечного изделия, с возможностью работы при высоких температурах.

В целях отработки устойчивости к циклическим нагрузкам в производственных условиях были подобраны материалы и изготовлены опытные образцы изделий. Реализован процесс печати изделий с металлическими вставками с определенным алгоритмом генерации двухфазной управляющей программы. Отработан процесс изготовления армированных полимерных изделий, выполненных по технологии послойного наплавления материала с внутренней гироидной структурой и заполнением объёма химическим раствором на основе полиэтиленполиамина и двуокиси титана, что позволило значительно сократить цикл производства, обеспечить возможность работы при высоких температурах.

В результате проведенных работ получены функциональные детали сложной конфигурации с внутренней структурой, которую невозможно выполнить фрезерованием или методом литья под давлением. Применение технологии послойного наплавления материала взамен традиционных технологий изготовления позволило снизить трудоемкость, сократить материальные затраты на изготовление деталей оснастки, существенно снизить затраты на электроэнергию, значительно сократить время подготовки производства тонколистовых и полимерных изделий, в условиях единичного и мелкосерийного производства.

Литература
  1. Кравчук А.Д., Маряхин А.Д., Потапов А.А., Панченко В.Я., Комлев В.С., Новиков М.М., Охлопков В.А., Дувидзон В.Г., Латышев Я.А., Чёлушкин Д.М., Чобулов С.А., Александров А.П., Шкарубо А.Н. Применение аддитивных технологий в нейрохирургии // V Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее»: сб. мат-лов. М.: ВИАМ, 2019. С. 253–274.
  2. Петрова Г.Н., Платонов М.М., Большаков В.А., Пономаренко С.А. Исследование комплекса характеристик базовых материалов для FDM технологии аддитивного синтеза. Физико-механические и теплофизические свойства // Пластические массы. 2016. Т. 5. № 6. С. 53–58. DOI: 10.35164/0554-2901-2016-5-6-53-58
  3. Балашов А.В., Маркова М.И. Исследование структуры и свойств изделий, полученных 3D-печатью // Инженерный вестник Дона, 2019, № 1. URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_150_Balachov_Markova.pd f_b4469f3dc9.pdf (дата обращения 26.11.2021).
  4. Пегов Н.Я., Лебедев Г.А. Технологическая оснастка для холодной штамповки, прессования пластмасс и литья под давлением. М.: НИИМАШ, 1967. Ч. 1. 542 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.