Реновация технических средств с использованием 3D-печати полимерных запасных частей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.03, кандидат наук Гончарова Юлия Александровна

• Гончарова Юлия Александровна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Гончарова Юлия Александровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА РЕМОНТА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИМЕРНЫХ ДЕТАЛЕЙ

1.1 Анализ отказов полимерных деталей сельскохозяйственной техники

1.2 Традиционные способы изготовления запасных частей из полимерных и композиционных материалов

1.2.1 Литье под давлением

1.2.2 Экструзия

1.2.3 Прессование

1.2.4 Вакуум- и пневмоформование

1.2.5 Свободное литье

1.2.6 Механическая обработка

1.2.7 Методы изготовления деталей из композитов на основе реактопластов

1.2.8 Методы изготовления деталей из композитов на основе термопластов

1.3 Аддитивные способы изготовления запасных частей из полимерных и композиционных материалов

1.3.1 Моделирование методом послойного наплавления

1.3.2 Лазерная стереолитография

1.3.3 Селективное лазерное спекание

1.4 Анализ случаев применения 3Э-печати для изготовления запасных частей различных машин

1.5 Способы повышения механических свойств 3D-печатных деталей, изготовленных по технологии FDM

1.6 Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАПАСНЫХ ЧАСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ 3Б-ПЕЧАТИ С ВАКУУМНОЙ ПРОПИТКОЙ

2.1 Обоснование выбора материалов и технологических параметров изготовления 3Э-печатных каркасов

2.1.1 Обзор материалов, применяющихся при 3D-печати по технологии FDM

2.1.2 Анализ технологических факторов 3D-печати по технологии FDM

2.2 Обоснование выбора пропиточных составов

2.2.1 Эпоксидные компаунды

2.3 Теоретический анализ процессов вязкого течения полимерных компаундов при осуществлении пропитки

2.3.1 Особенности вязко-текучего поведения полимеров

2.3.2 Анализ эффекта смачивания на границе раздела фаз в процессе пропитки

2.4 Разработка методики расчета максимально возможной толщины детали при вакуумной пропитке 3Э-печатного каркаса

2.5 Анализ модели расчета механических свойств композиционных материалов

2.6 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Разработка программы и методики исследований пропитываемости 3Э-печатных каркасов в зависимости от геометрии каркаса

3.2 Программа исследований механических свойств композитов

3.2.1 Разработка плана эксперимента по исследованию влияния внутренней геометрии каркасов на механические свойства композита

3.2.2 Разработка плана эксперимента по исследованию влияния химического состава компаунда и режима отверждения на механические свойства композита

3.3 Методики испытаний

3.3.1 Определение пористости с использованием метода гидростатического взвешивания

3.3.2 Методика испытаний на растяжение

3.3.3 Методика испытаний на ударную вязкость

3.3.4 Методика фактографического исследования

3.4 Выводы по главе

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Результаты исследования пропитываемости 3Э-печатных каркасов различной геометрии компаундами

4.2 Результаты исследования пористости образцов с различной геометрией 3Э-печатного каркаса для механических испытаний

4.3 Результаты исследования механических свойств композитов с

каркасами различной геометрии

4.3.1 Результаты испытаний на растяжение

4.3.2 Результаты испытаний на ударную вязкость

4.3.3 Выводы по результатам исследования механических свойств композитов в зависимости от геометрии каркаса

4.4 Результаты исследования зависимости механических свойств композитов от состава пропиточного компаунда и режима отверждения

4.4.1 Результаты испытаний на растяжение

4.4.2 Результаты испытаний на ударную вязкость

4.4.3 Выводы по результатам исследования механических свойств композитов в зависимости от состава пропиточного компаунда и режима отверждения

4.5 Результаты фактографического исследования композитов

4.6 Выводы по главе

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТИПОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАПАСНЫХ ЧАСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ 3Б-ПЕЧАТИ С ВАКУУМНОЙ ПРОПИТКОЙ ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

5.1 Анализ опыта изготовления запасных частей для сельскохозяйственной техники 3Э-печатью с вакуумной пропиткой

5.1.1 Крыльчатка турбинного водосчетчика

5.1.2 Шестерня привода магнето пускового двигателя трактора МТЗ

5.1.3 Опора пальцев шнека жатки зерноуборочных комбайнов John Deere

5.1.4 Выводы по результатам анализа опыта изготовления запасных частей для сельскохозяйственной техники с помощью 3D-печати

с последующей пропиткой

5.2 Оценка экономической эффективности типового технологического процесса изготовления запасных частей с помощью 3D-печати с вакуумной пропиткой для сельскохозяйственной техники

5.2.1 Расчет для случая замены шестерни сервопривода зернотока

5.2.2 Расчет для случая замены пальца мотовила зерноуборочного комбайна John Deere

5.3 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное). Сведения о гранте, финансирующего

данную работу

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное). Патент на способ упрочнения 3Б-

печатных конструкций

ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное). Акт внедрения результатов работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное). Диплом 3 степени за работу на

конкурсе

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (обязательное). Маршрутная карта разработанного

типового технологического процесса

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Реновация технических средств с использованием 3D-печати полимерных запасных частей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В конструкциях современных сельскохозяйственных машин все большее применение находят детали, изготовленные из полимерных материалов. Одновременно с распространением полимерных деталей возникает проблема их быстрой замены в случае выхода из строя. Как показывает практика, зачастую для производителей и дилеров техники оказывается нерентабельным изготовление и продажа запасных частей из полимеров. Вместо них предлагается приобрести целый узел, который на порядок дороже сломанной полимерной детали. Проблемой являются также и большие сроки поставки отдельных деталей или узлов в силу специфики работы существующих цепочек поставок запасных частей. Таким образом, сроки ремонта значительно увеличиваются, что пагубно отражается на прибыльности предприятий агропромышленного комплекса в силу крайней ограниченности времени выполнения большинства агротехнических работ.

Альтернативой закупке запасных полимерных частей является их самостоятельное изготовление с использованием аддитивных технологий. Аддитивное производство не требует использования специальной оснастки, его легко переналадить, и при этом весь цикл изготовления новой детали взамен вышедшей из строя займет один-два рабочих дня. Однако на сегодняшний день технологии 3Э-печати не нашли широкого применения для изготовления деталей машин, работающих под нагрузками и эксплуатируемых в реальных конструкциях, и основной нишей их применения остается прототипирование. Сферу использования аддитивных технологий возможно расширить применением новых технологических подходов к 3Э-печати, подразумевающих использование новых технологических схем получения деталей с использованием 3Э-печати, позволяющих упрочнить напечатанную из полимеров деталь и использовать впоследствии в эксплуатируемой технике.

Степень разработанности темы. Систематизация и критический анализ материалов по тематике исследования проведены на основании изучения работ Измайлова А.Ю., Лобачевского Я.П., Черноиванова В.И., Федоренко В.Ф., Дорохова А.С., Соловьева С.А., Голубева И.Г., Лялякина В.П., Денисова В.А., Котина А.В., Сивцова В.Н., Малышевой Г.В., Нелюба В.А., Бородулина А.С. и других исследователей.

Анализ показал, что применение ЭЭ-печати для изготовления запасных частей сельскохозяйственной техники является перспективным направлением, позволяющим значительно сократить затраты на ремонт. Также по результатам анализа было выявлено, что применение при ремонте полимерных композиционных материалов позволяет повысить эксплуатационные характеристики ремонтируемых деталей и узлов. Однако единого подхода, позволяющего применять при ремонте ЭЭ-печать и композиционные материалы, предложено не было.

Работа выполнена в рамках темы научно-исследовательской работы ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» на 2019-2021 гг. «Инновационные конструкционные полимерные материалы, композитные и биокомпозитные материалы деталей для сельскохозяйственной техники и оборудования» (№0435-2019-0001).

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках проекта №19-38-90037\19 «Разработка научных основ формирования полимерных композиционных материалов на основе 3D-печатных каркасов, упрочненных полимерными компаундами» (приложение А).

Цель исследований - снижение затрат на реновацию технических средств за счет применения 3D-печати с вакуумной пропиткой для запасных частей из полимерных композиционных материалов.

Задачи исследования:

1. Разработать способ изготовления полимерных запасных частей для сельскохозяйственной техники с использованием 3Э-печати на основе анализа существующих подходов;

2. Разработать методику расчета максимально возможной толщины детали при вакуумной пропитке 3D-печатного каркаса полимерными компаундами;

3. Разработать методику экспериментальной оценки пропитываемости 3Э-печатных каркасов полимерными компаундами в вакууме;

4. Провести экспериментальные исследования влияния геометрических параметров 3D-печатных каркасов на их пропитываемость полимерными компаундами и механические свойства получаемых композиционных материалов;

5. Провести экспериментальные исследования влияния состава пропитывающего компаунда и режима отверждения на механические свойства композиционных материалов на основе 3Э-печатных каркасов;

6. Разработать типовой технологический процесс изготовления запасных частей для сельскохозяйственной техники из полимерных композиционных материалов с применением 3D-печати и вакуумной пропитки и оценить его экономическую эффективность.

Объект исследований - технологический процесс изготовления запасных частей из полимерных композиционных материалов с помощью 3Э-печати с вакуумной пропиткой для сельскохозяйственной техники.

Предмет исследований - закономерности влияния параметров 3D-печати и пропитки, а также состава исходных компонентов на механические свойства запасных частей, изготавливаемых с помощью 3D-печати с вакуумной пропиткой.

Научную новизну работы составляют:

- методика расчета максимально возможной толщины детали при вакуумной пропитке 3D-печатного каркаса полимерными компаундами;

- методика экспериментальной оценки пропитываемости 3D-печатных каркасов полимерными компаундами в вакууме;

- закономерности влияния геометрии ЭЭ-печатного каркаса (толщины стенок и процента заполнения) на его пропитываемость полимерными компаундами;

- закономерности изменения прочности и ударной вязкости композитов на основе ЭЭ-печатных каркасов, пропитанных эпоксидной смолой, при изменении процента заполнения при печати каркаса и направления укладки слоев пластика в процессе печати;

- закономерности изменения прочности и ударной вязкости композитов на основе ЭЭ-печатных каркасов, пропитанных эпоксидной смолой, от состава пропитывающего компаунда и режима отверждения после пропитки.

Новизна технических решений подтверждается патентом РФ на изобретение № 2750426 (приложение Б).

Практическую значимость представляет разработка типового технологического процесса изготовления запасных частей с помощью ЭЭ-печати с вакуумной пропиткой для сельскохозяйственной техники.

Методы исследования. Экспериментальные исследования выполнены по оригинальным и известным методикам с использованием современного научно-исследовательского оборудования и средств измерений лаборатории инновационных конструкционных полимерных, композитных и биокомпозитных материалов сельскохозяйственных машин ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, центра коллективного пользования «Нано-центр» ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, кафедры Материаловедения и технологий машиностроения Института механики и энергетики РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, кафедры Химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов Российского

технологического университета МИРЭА. Исследование физико-механических характеристик образцов проводилось по ГОСТ 15139-69, ГОСТ 11262-2017, ГОСТ 4647-2015. Обработка результатов испытаний проведена с использованием методов математической статистики с помощью современных вычислительных средств и программы «Microsoft Exel 2010».

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современных методов исследования с применением регрессионного анализа с проверкой адекватности модели по критерию Фишера, статистической обработки экспериментальных данных и необходимой повторяемостью экспериментов. Исследования выполнены с использованием аттестованных приборов и установок с применением общепринятых и проверенных аналитических методов. Результаты исследования прошли широкую апробацию в печати, на научно-исследовательских конференциях и выставках.

Положения, выносимые на защиту:

- методика расчета максимально возможной толщины детали при вакуумной пропитке 3D-печатного каркаса полимерными компаундами;

- методика экспериментальной оценки пропитываемости 3D-печатных каркасов полимерными компаундами в вакууме;

- математическая модель, описывающая зависимость пропитываемости 3D-печатных каркасов от параметров их геометрии (толщина стенки и процент заполнения);

- результаты исследования влияния внутренней геометрии 3D-печатных каркасов, пропитанных компаундом на основе эпоксидной смолы, на механические свойства композита;

- результаты исследования влияния химического состава пропиточного материала и режимов отверждения после пропитки на свойства композиционных материалов на основе 3D-печатных каркасов.

Реализация результатов исследования. Разработанный способ упрочнения 3D-печатных конструкций принят к внедрению компанией ООО «Тоталзед», предоставляющей услуги по изготовлению 3D-печатных полимерных изделий на заказ (приложение В).

Апробация. Основные положения и результаты исследования докладывались на Международной научно-технической конференции «Цифровые технологии и роботизированные технические средства для сельского хозяйства» (г. Москва, 2018, 2019); Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Агроинженерные инновации в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2019); Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России (г. Москва, 2019 г.); форуме «Композиты без границ» (г. Москва, 2019), где в рамках конкурса «Композиты без границ. Идея» за проект «Полимерный композиционный материал на основе 3D-печатных каркасов, упроченных полимерными компаундами» присужден диплом 3 степени (приложение Г); международном форуме «Ключевые тренды в композитах: наука и технологии» (г. Москва, 2019, 2020), конференции-презентации научно-технических достижений ста высококлассных иностранных специалистов в провинции Хэбэй (Китай, онлайн-формат, 2020).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 18 работах, в том числе 10 публикаций в рецензируемых научных изданиях, из которых 6 - в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК, 3 - в изданиях, которые входят в международную реферативную базу данных Scopus, 1 - патент на изобретение РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 1 88 страницах машинописного текста, включает 116 рисунков и 29 таблиц, список литературы содержит 99 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА РЕМОНТА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПОЛИМЕРНЫХ ДЕТАЛЕЙ 1.1 Анализ отказов полимерных деталей сельскохозяйственной

техники

В конструкциях современной сельскохозяйственной техники все большее применение находят детали, изготовленные из полимерных материалов [1]—[11]. По сравнению с металлами полимеры обладают рядом преимуществ, такими как высокая химическая стойкость, низкая плотность в сочетании с достаточно высокой для многих применений прочностью, простота переработки в изделия и доступность [12]-[18]. Во многих случаях применение полимеров является единственно возможным с точки зрения условий работы детали или особенностей конструкции. Одновременно с распространением полимерных деталей в конструкциях машин возникает проблема их быстрой замены в случае выхода из строя.

В текущей работе анализ случаев отказов полимерных деталей сельскохозяйственной техники проводится на основе данных, полученных от предприятия ООО «Рассвет» Ростовской области и производственного кооператива «Коелгинское» Челябинской области за 2019 г. Также была собрана сводная информация по выходящим из строя полимерным деталям сельскохозяйственной техники на различных предприятиях от поставщиков запасных частей сельскохозяйственной техники.

ООО «Рассвет» специализируется на выращивании зерновых культур. Общая площадь пашни составляет 11 750 га. Основной уклон предприятие имеет на выращивании кукурузы. Часть возделываемых площадей имеет оросительную систему, оборудованную водоочистными фильтрами и водосчётчиками турбинного типа (рисунок 1.1). Полимерные детали, выходившие из строя на данном предприятии в 2019 году, представлены на рисунке 1.2, а их характеристики и особенности условий работы в таблице

1.1. Все указанные детали отдельно не продаются и приходится заменять весь узел. Новый картридж очистки и водосчётчик стоят 11 000 и 12 000 руб. соответственно. Новый распылитель стоит Э00 руб./шт., при этом количество используемых хозяйством распылителей очень высоко (на одной штанге может располагаться до 20 распылителей). Суммарные затраты на замену всех распылителей составляют большую статью расходов.

Рисунок 1.1 - Часть оросительной системы ООО «Рассвет»

а - деталь промышленного водоочистного фильтра мембранного типа; б - корпус турбинного водосчетчика; в - крыльчатка турбинного водосчетчика; г - червячная пара турбинного водосчетчика; д - корпус распылителей самоходных опрыскивателей

Рисунок 1.2 - Полимерные детали, выходившие из строя из строя по причине износа или поломки на ООО «Рассвет» в 2019 г.

Таблица 1.1 - Сведения об отказах полимерных деталей на ООО «Рассвет» в

2019 г.

% Наименование Габаритные размеры, мм Условия работы детали Материал Информация о стоимости и условиях приобретения

1 Деталь промышленного водоочистного фильтра мембранного типа 120 х 180 Очистка воды от взвешенных частиц размером более 80 мкм Полиэтилен или нейлон Деталь отдельно не продается, картридж в сборе с данной деталью 11 000 руб.

2 Корпус турбинного водосчетчика 100 х 110 х 110 Контакт с горячей проточной водой, интенсивный износ, гидроудары АБС, упрочненный короткими волокнами Детали отдельно не продаются, новый счетчик 12 000 руб.

3 Крыльчатка турбинного водосчетчика 80 х 80 Контакт с горячей проточной водой, интенсивный износ Ударопрочный полистирол или полипропилен

4 Червячная пара турбинного водосчетчика 40 х 50; 12 х 12 Контакт с горячей проточной водой, интенсивный износ Нейлон

5 Корпус распылителей самоходных опрыскивателей 15 х 10 Малые статические нагрузки, поломки происходят в результате чистки Полипропилен Деталь отдельно не продаётся, распылитель в сборе 300 руб.

Производственный кооператив «Коелгинское» является одним из лидеров по производству молока в Челябинской области с поголовьем скота более 4600 голов. Также предприятие занимается выращиванием и переработкой зерновых культур. Общая площадь пашни составляет 29 350 га. В севооборот включены расторопша, сурепица, свербига восточная, кукуруза, лен, рапс. В прошедшем году предприятие столкнулось с выходом из строя сервопривода на зернотоке во время сушки зерна (рисунок 1.3). Из

строя вышла шестерня в результате износа (рисунок 1.4а). Отдельно данная деталь не продается, новый сервопривод стоит 34 000 руб. Также из строя выходили сальники гидроцилиндров трактора К-744 (рисунок 1.4б), приобрести которые отдельно не получалось. В таблице 1.2 представлены характеристики и особенности условий работы указанных деталей.

Рисунок 1.3 - Сервопривод зернотока (СПК «Коелгинское»)

а) —— б)

а - шестерня сервопривода зернотока; б - сальник гидроцилиндра трактора К-744

Рисунок 1.4 - Полимерные детали, выходившие из строя из строя по причине износа или поломки в производственном кооперативе «Коелгинское» в

2019 г.

Таблица 1.2 - Сведения об отказах полимерных деталей в производственном кооперативе «Коелгинское» в 2019 г.

Наименование Габаритные размеры, мм Условия работы детали Материал Информация о стоимости и условиях приобретения

1 Шестерня сервопривода зернотока 50 х 5 Изгибные циклические нагрузки, износ Полиэтилен или нейлон Деталь отдельно не продается, сервопривод с данной деталью в сборе 34 000 руб.

2 Сальник гидроцилиндра трактора К-744 80 х 10 Работа в контакте с маслом под давлением 16 МПа в условиях трения Резина маслостойкая или полиуретан Деталь отдельно не продается, новый гидроцилиндр 16 500 руб.

В таблице 1.3 представлена сводная информация по различным предприятиям, включающая в себя информацию по поставкам необходимых запчастей на предприятия сельскохозяйственной направленности по данным дилеров. Описанные в таблице детали представлены на рисунке 1.5.

V ft-

а - вентилятор охлаждения двигателя трактора МТЗ; б - рабочее колесо центробежного

насоса; в - опора пальцев шнека жатки John Deere; г - втулка поводка эксцентрика мотовила; д - шестерня привода магнето пускового двигателя ПД-10 трактора МТЗ; е -полуподшипник луча мотовила Вектор, Дон-1500

Рисунок 1.5 - Полимерные детали, выходившие из строя по причине износа или поломки в 2019 г. по данным дилеров запасных частей

Таблица 1.3 - Сведения об отказах полимерных деталей за 2019 г. по данным

дилеров запасных частей

% Наименование Габаритные размеры, мм Условия работы детали Материал Информация о стоимости и условиях приобретения

1 Вентилятор охлаждения двигателя трактора МТЗ 500х120 Динамические нагрузки Полипропилен 700 руб., поставка только оптом

2 Рабочее колеса центробежного насоса 250 х 50 Контакт с рабочими жидкостями, абразивный износ Полиуретан 800 руб./шт., партия от 10 шт., срок поставки от 14 дней

3 Опора пальцев шнека жатки John Deere 150 х 50 х 70 Работа в условиях интенсивного износа Полиамид 652 руб., срок поставки 12-18 дней

4 Втулка поводка эксцентрика мотовила 30 х 60 Работа в условиях интенсивного износа Полиамид 70 руб., поставка только оптом

5 Шестерня привода магнето пускового двигателя ПД-10 трактора МТЗ 60 х 30 Изгибные циклические нагрузки, износ Полиамид 150 руб., поставка только оптом

6 Полуподшипник луча мотовила Вектор, Дон-1500 100 х 40 х 10 Работа в условиях интенсивного износа Полиамид 50 руб., поставка только оптом

Представленные в таблице 1.3 детали могут быть приобретены отдельно в отличии от рассматриваемых ранее примеров, однако ввиду их малой стоимости и редких отказов дилерам оказывается нерентабельно поставлять их в единичном экземпляре. В случае выхода данных деталей из строя сельхозпроизводителю зачастую приходится переплачивать за партию деталей либо отказываться от покупки в пользу приобретения нового узла, поскольку его стоимость оказывается сопоставима со стоимостью

приобретения запчастей. Нередки также случаи, когда поставку запасных деталей приходится ожидать долгое время, поскольку дилеру хранить данные детали на складе также нерентабельно, и сельхозпроизводитель вынужден делать выбор между потерями от простоя техники и потерями от приобретения нового узла. Зачастую сельхозпредприятия делают выбор в пользу второго варианта, поскольку период выполнения тех или иных агротехнических операций ограничен по времени и потери от простоя техники будут несоизмеримо больше.

Таким образом, номенклатура полимерных деталей сельскохозяйственных машин, выходящих из строя, достаточно разнообразна, и случаи их отказов составляют до 5% от общего количества отказов деталей сельскохозяйственных машин [19]. Замена данных деталей в ряде случаев невозможна по причине их отсутствия в продаже, а в ряде случаев оказывается нерентабельной из-за длительных сроков поставки или большой минимальной партии заказа. В связи с этим сельхозпроизводители терпят убытки, переплачивая за целый узел вместо замены одной детали, а также из-за длительного простоя техники в процессе ремонта и связанных с ними потерь сельскохозяйственной продукции.

1.2 Традиционные способы изготовления запасных частей из

полимерных и композиционных материалов Изделия из полимеров, входящие в конструкции сельскохозяйственной техники, имеют различные формы и размеры. Многообразие форм деталей, а также используемых для их изготовления полимеров, определяет широкий спектр технологий изготовления данных деталей. Выбор того или иного метода изготовления также во многом зависит от объема партии производимых изделий. Например, если для производства мелких деталей из термопластов массовыми тиражами наиболее производительным и рентабельным является литье под давлением, то для крупных массивных

изделий - горячее прессование или контактное формование (таблица 1.4) [20].

Таблица 1.4 - Зависимость экономически эффективного объема производства изделий из пластмасс от способа переработки [20]

Способ переработки Объем производства, шт.

Механическая обработка 1-100

Термоформование 100-1000

Свободное литье 500-1000

Ротационное формование 500-1000

Прессование 1000-2000

Экструзия 1000-3000

Экструзия с раздувом 3000-10 000

Литье под давлением 10 000 - 100 000

Для производства одного и того же полимерного изделия зачастую можно применить разные способы производства, и выбор оптимального метода проводится на основе всесторонней технико-экономической оценки. Экономическая оценка целесообразности выбора того или много метода производства полимерных изделий во многом базируется на оценке стоимости изготовления оснастки для данного метода, поскольку стоимость оснастки закладывается в стоимость каждого изделия, выпущенного с ее помощью. Таким образом, если метод производства требует дорогой оснастки, то рентабелен он лишь в том случае, если выпускаемая партия полимерных изделий достаточно велика.

1.2.1 Литье под давлением Одним из наиболее высокопроизводительных процессов изготовления изделий из полимеров является литье под давлением. В процессе литья под давлением (рисунок 1.6) гранулы полимера пластифицируются при вращении червяка в нагревательном (инжекционном) цилиндре литьевой машины [20]. Машины, на которых проводят литье под давлением, называются термопластавтоматами (рисунок 1.7).

1 - форма; 2 - сопло; 3 - червяк; 4 - электронагреватель; 5 - гидродвигатель; 6 -червячный редуктор; 7 - шкала регулирования впрыска; 8,9 - конечные выключатели хода

червяка; 10 - гидроцилиидр; 11 - манометр

Рисунок 1.6 - Схема машины для литья под давлением [20]

Рисунок 1.7 - Внешний вид литьевой машины (термопластавтомат)

Изделие в случае использования литьевых машин формуется в специальных пресс-формах (рисунок 1.8). Их устройство достаточно сложно, поскольку они содержат сложные литьевые каналы, иногда с подогревом, а также каналы охлаждения. К тому же в процессе литья используются достаточно большие давление, в результате чего для изготовления форм пригодны только металлы, чаще всего стали. Все вышеперечисленные факторы обуславливают высокую стоимость и трудоемкость изготовления данных пресс-форм, в результате чего их стоимость начинается от 500 тыс. руб. Высокая стоимость форм приводит к тому, что использование литья под давлением рентабельно лишь в случае крупносерийного или массового производства.

7 8 9 10 11 12 13 И

3 1 »18 17 3

1,2-нижняя и верхняя соединительные планки системы толкания; 3-выталкиватели; 4,16-подкладки; 5-плоскость разъема; 6-матрица формы; 7-направляющая колонка; 8-впуск; 9-направляющее кольцо; 10-литниковая втулка; 11-литинковый канал; 12-разводящий канал; 13-канал для охлаждения; 14-пуансон; 15-пазы для крепления; 17-центральный выталкиватель (выталкиватель литника); 18-штифт для обратной посадки выталкивателя

Рисунок 1.8 - Литьевая форма обычного типа [20]

Преимуществом данной технологии является возможность изготавливать изделия любой геометрической формы, а также в широком диапазоне масс от долей грамма до нескольких килограммов.

1.2.2 Экструзия

Экструзией называется непрерывное выдавливание материала через форму, имеющую канал определенного сечения [20]. Схема устройства экструдера представлена на рисунке 1.9.

1 - станина; 2 - дорн; 3 - мундштук; 4 - система обогрева; 5 - термопара; 6 - система охлаждения; 7 - загрузочный бункер; 8 - редуктор; 9 - электродвигатель; 10 - внутренняя гильза цилиндра; 11 - нагревательный цилиндр; 12 - червяк

Рисунок 1.9 - Упрощенная схема одночервячного экструдера [20]

При экструзии гранулы полимера поступают в нагревательный цилиндр, внутри которого находится рабочий орган - червяк. Нагревательный цилиндр и червяк условно делят на три зоны: 1) загрузочная, в которой происходит уплотнение поступивших гранул; 2) зона сжатия, в которой материал постепенно расплавляется и пластифицируется за счет теплоты, подводимой от расположенных снаружи цилиндра нагревателей и теплоты внутреннего трения в материале; 3) дозирующая, в которой весь винтовой канал червяка оказывается заполнен расплавом полимера [20].

Экструзию широко используют для изготовления изделий простого непеременного сечения, например, труб, листов, пленок и т.п.

1.2.3 Прессование

Суть технологии прессования заключается в том, что прессуемый материал в виде листа загружается в пресс-форму и под действием теплоты и давления принимает ее конфигурацию (рисунок 1.10). Прессование обычно применяется для переработки реактопластов, так как для термопластов более рентабельны методы экструзии, литья под давлением, вакуум- и пневмоформования. Однако в некоторых случаях, например при получении массивных крупногабаритных изделий, и термопласты перерабатывают прессованием [20].

1 - предварительно нагретая заготовка; 2 - готовое изделие

Рисунок 1.10 - Схема создания деталей из полимерных материалов методом прессования до (а) и после (б) смыкания форм [20]

Конструкции пресс-форм в данном случае имеют схожие признаки с формами, используемыми при литье под давлением (рисунок 1.11). Данные формы изготавливают из сталей, выдерживающих воздействие высоких температур и нагрузок.

1 - верхняя подкладка; 2 - верхняя плита обогрева; 3 - обойма пуансонов; 4 - пуансон; 5 -опорные планки; 6 - матрица; 7 - обойма матриц; 8 - опорная плита (нижняя плита обогрева); 9 - контрольный штифт; 10 - нижняя подкладка; 11 - выталкиватель; 12 -верхняя соединительная планка выталкивателей; 13 - промежуточная прокладка; 14 -нижняя соединительная планка выталкивателей; 15 - нижняя плита; 16 - шпиндель

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гончарова Юлия Александровна, 2022 год

- 160 с.

47. Лачуга Ю.Ф. Развитие интенсивных машинных технологий, роботизированной техники, эффективного энергообеспечения и цифровых

систем в агропромышленном комплексе / Ю.Ф. Лачуга, А.Ю. Измайлов, Я.П. Лобачевский, Ю.Х. Шогенов // Техника и оборудование для села. - 2019. - № 6 (264). - С. 2-9.

48. Соловьев С.А. Новые подходы к техническому сервису сельскохозяйственной техники / С.А. Соловьев // В сборнике: Система технологий и машин для инновационного развития АПК России. Сборник научных докладов Международной научно-технической конференции, посвященной 145-летию со дня рождения основоположника земледельческой механики академика В.П. Горячкина - М.: Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства, 2013. - С. 3239.

49. Соловьев С.А. Развитие инновационных технологий при оказании сервисных услуг для поддержания надежности сельскохозяйственной техники / С.А. Соловьев, В.С. Герасимов // В сборнике: Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий. Сборник научных докладов Международной научно-технической конференции - М.: Всероссийский институт механизации сельского хозяйства, 2014. - С. 20-23.

50. Башкирцев Ю.В. Возможности применения 3D-технологий в ремонтном производстве / Ю.В. Башкирцев, М.И. Голубев, И.Г. Голубев, В.В. Быков - М.: ФГБОУ «РИИАМА», 2020. - 44 с.

51. Свиридов А.С. Использование цифровой 3D-фермы в ремонтном производстве сельскохозяйственной техники / А.С. Свиридов, С.П. Тужилин, Ю.А. Лопатина // Технический сервис машин. - 2019. - № 1. - С. 93-99.

52. Голубев И.Г. Перспективы применения аддитивных технологий при ремонте сельскохозяйственной техники / И.Г. Голубев, И.А. Спицын, В.В. Быков, М.И. Голубев // Труды ГОСНИТИ. - 2018. - Т. 130. - С. 214-219.

53. Голубев И.Г. Анализ аддитивного оборудования для 3D-печати деталей / И.Г. Голубев, В.В. Быков, М.И. Голубев, И.А. Спицын // Технический сервис машин. - 2019. - №1 (134). - С. 194-200.

54. Голубев И.Г. Перспективы 3-D печати деталей из полимерных материалов / И.Г. Голубев, В.В. Быков, И.Г. Голубев // В сборнике: Инновации природообустройства и защиты окружающей среды. Материалы I Национальной научно-практической конференции с международным участием - Саратов: КУБиК, 2019. - С. 353-355.

55. Дорохов А.С. Применение аддитивных технологий при техническом сервисе садовой техники / А.С. Дорохов, А.С. Свиридов // Агроинженерия. - 2020. - № 6 (100). - С. 39-44.

56. Разгоняева А.И. Применение технологий аддитивного производства при ремонте центробежных насосов / А.И. Разгоняева, А.С. Дорохов // В сборнике: Проблемы технического сервиса в АПК. Сборник научных трудов IV Всероссийской научно-практической конференции - Кинель: Самарский государственный аграрный университет, 2021. - С. 293-297.

57. Ngo T.D. Additive manufacturing (3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges / T.D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano et al. // Composites Part B: Engineering. - 2018. - V. 143. - P. 172196.

58. Mohsen A. The rise of 3-D printing: The advantages of additive manufacturing overtraditional manufacturing / A. Mohsen // Business Horizons. -2017. - V. 60, Is. 5. - P. 677-688.

59. Игонина Е.В. Особенности разработки и применения FDM-технологии при создании и прототипировании 3D-объектов / Е.В. Игонина, О.В. Дружинина // Современные информационные технологии и ИТ-образование. - 2017. -Т. 13, № 2. - С. 185-193.

60. BuyAnyPart 3D prints spare parts for farming equipment [Электронный ресурс] // 3DPrintingInduastry URL:

https://3dprintingindustry.com/news/buyanypart-3d-prints-spare-parts-for-farming-equipment-141100/ (дата обращения: 04.10.2019).

61. CNH Industrial to Produce Tractor and Bus Parts with 3D Printing [Электронный ресурс] // 3D print URL: https://3dprint.com/237726/cnh-industrial-improve-production-capital-goods-3d-printing/ (дата обращения: 03.08.2020).

62. Wits W.W. How additive manufacturing enables more sustainable end-user maintenance, repair and overhaul (MRO) strategies / W.W. Wits, G.J.R. Reyes, B.J.M. Jauregui // Procedia CIRP. - 2016. - № 40. - P. 693-698.

63. Центр аддитивных технологий 3Delo. Портфолио. Запасные части для автомобилей [Электронный ресурс] // 3delo URL: http://www.3delo.ru/portfolio/zapchasti-dlya-avtomobiley/ (дата обращения: 30.04.2018).

64. Нефёлов И.С. Восстановление изношенных деталей машин при помощи дополнительных ремонтных деталей, изготовленных методами аддитивных технологий / И.С. Нефёлов // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2018. - № 11. - С. 15-17.

65. Valino A.D. Advances in 3D printing of thermoplastic polymer composites and nanocomposites / A.D. Valino, J.R.C. Dizon, A.H. Espera et al. // Progress in Polymer Science. - 2019. - V. 98. - Article ID 101162.

66. Carneiro O.S. Fused deposition modeling with polypropylene / O.S. Carneiro, A.F. Silva, R. Gomes // Materials & Design. - 2015. - V. 83. - P. 768776.

67. Berretta S. Fused Deposition Modelling of high temperature polymers: Exploring CNT PEEK composites / S. Berretta, R. Davies, Y.T. Shyng et al. //Polymer Testing. - 2017. - V. 63. - P. 251-262.

68. Caminero M.A. Impact damage resistance of 3D printed continuous fibre reinforced thermoplastic composites using fused deposition modelling / M.A.

Caminero, J.M. Chacón, I. García-Moreno et al. // Composites Part B: Engineering. - 2018. - V. 148. - P. 93-103.

69. Dev S. Experimental investigation and optimization of FDM process parameters for material and mechanical strength / S. Dev, R. Srivastava // Materials Today: Proceedings. - 2020. - V. 26. - P. 1995-1999.

70. Puigoriol-Forcada J.M. Flexural fatigue properties of polycarbonate fused-deposition modelling specimens / J.M. Puigoriol-Forcada, A. Alsina, A.G. Salazar-Martín et al. //Materials & Design. - 2018. - V. 155. - P. 414-421.

71. Yadav D. Optimization of FDM 3D printing process parameters for multi-material using artificial neural network / D. Yadav, D. Chhabra, R. Kumar Garg et al. // Materials Today: Proceedings. - 2020. - V. 21. - P. 1583-1591.

72. Thrimurthulu K. Optimum part deposition orientation in fused deposition modeling / K. Thrimurthulu, P.M. Pandey, N. Venkata Reddy // International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2004. - V. 44. - P. 585-594.

73. Kumar N. The effect of process parameters on tensile behavior of 3D printed flexible parts of ethylene vinyl acetate (EVA) / N. Kumar, P.K .Jain, P. Tandon et al. //Journal of Manufacturing Processes. - 2018. - V. 35. - P. 317-326.

74. Akhouri D. A review report on the plating process of fused deposition modelling (FDM) built parts / D. Akhouri, D. Banerjee, S.B. Mishra // Materials Today: Proceedings. - 2020. - V. 26. P. 2140-2142.

75. Chen L. Modification the surface quality and mechanical properties by laser polishing of Al/PLA part manufactured by fused deposition modeling / L. Chen, X. Zhang //Applied Surface Science. - 2019. - V. 492. - P. 765-775.

76. Adel M. Polishing of fused deposition modeling products by hot air jet: evaluation of surface roughness / M. Adel, O. Abdelaal, A. Gad et al. // Journal of Materials Processing Technology. - 2018. - V. 251. - P. 73-82.

77. Подробный гид по выбору пластика для 3D-ne4ara [Электронный ресурс] // Top3dshop URL: https://top3dshop.ru/blog/podrobnyj-gid-po-vyboru-plastika-dlja-3d-pechati.html (дата обращения: 05.07.2019).

78. Sanatgar R.H. Investigation of the adhesion properties of direct 3D printing of polymers and nanocomposites on textiles: effect of FDM printing process parameters / R.H. Sanatgar, C. Campagne, V. Nierstrasz // Applied Surface Science. - 2017. - V. 403. - P. 551-563.

79. Сопло для 3D-принтера, как выбрать диаметр и настроить печать. [Электронный ресурс] // 3dpt URL: https://3dpt.ru/blogs/support/soplo (дата обращения: 25.11.2019).

80. Диаметр сопла [Электронный ресурс] // Rkgadge URL: https://rkgadget.ru/sopla-diameter (дата обращения: 24.01.2020).

81. Durgashyam K. Experimental investigation on mechanical properties of PETG material processed by fused deposition modeling method / K. Durgashyam, I.M. Reddy, A. Balakrishna et al. // Materials Today: Proceedings. - 2019. - V. 18.

- P. 2052-2059.

82. Stan F. Effect of low and extreme-low temperature on mechanical properties of 3d-printed polyethylene terephthalate glycol / F. Stan, N.-V. Stanciu, I.-L. Sandu et al. // The romanian journal of technical sciences. - 2019. - V. 3 - P. 21-41.

83. Свиридов А.С. Выбор материалов и обоснование технологических параметров изготовления опор скольжения для ремонта садовой техники с помощью аддитивных технологий / А.С. Свиридов, Ю.А. Лопатина, А.И. Плохих // Сельскохозяйственная техника: обслуживание и ремонт. - 2019. -№11. - С. 54-62.

84. Черняк К.И. Эпоксидные компаунды и их применение / К.И. Черняк

- Л.: Судостроение, 1967 - 402 с.

85. Черняк К.И. Неметаллические материалы в судовой электро- и радиотехнической аппаратуре. Справочник / К.И. Черняк - Л.: Судостроение, 1970. - 559 с.

86. Волк М.С. Герметизация электротехнической и радиоэлектронной аппаратуры / М.С. Волк, Ж. Леффордж, Р. Стетсон; Пер. с англ. Е.И.

Фридман; Под общ. ред. Б. Н. Можжевелова. - Москва-Ленинград: Энергия, 1966. - 368 с.

87. Корецкая Л.С. Влияние условий отверждения на структуру эпоксидных стеклопластиков и остаточные напряжения / Л.С. Корецкая // Пластические массы. - 1978. - № 3. - С. 19-21.

88. Носков А.М. Влияние режима отверждения эпоксидных олигомеров на их стойкость к окислительному термостарению / А.М. Носков, Н.И. Новиков // Пластические массы. - 1981. - № 7. - С. 58.

89. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (поверхностные явления и дисперсные системы) / М.: Химия, 1982. - 400 с.

90. Сумм Б.Д. Фазовые переходы в поверхностном слое и поверхностное натяжение жидкостей // Журнал физической химии. - 2005. -Т. 79. - № 2. - С. 199-212.

91. Бородулин А.С. Совершенствование технологии процесса пропитывания волокнистых наполнителей полимерными и олигомерными связующими: Диссертация ... канд. техн. наук: 05.17.06; [Место защиты: Рос. хим.-технол. ун-т им. Д.И. Менделеева]. - Москва, 2016. - 134 с.

92. Маунг П.П. Моделирование кинетики процесса пропитывания при производстве рефлекторов зеркальных космических антенн из углепластиков / П.П. Маунг, Г.В. Малышева // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия машиностроение. - 2016. - №5. - С. 38-47.

93. Брытков Е.В. Механика композиционных материалов / Е.В. Брытков Е.В., В.А. Санников - Санкт-Петербург: БГТУ, 2012 - 74 с.

94. Демчук Е.В. Машины для уборки и обработки зерна. Часть 1. Зерноуборочные комбайны / Е.В. Демчук, В.С. Коваль, А.В. Черняков, А.Ю. Головин. - Омск: Омский ГАУ, 2014. - 84 с.

95. Субочев С.В. Влияние основных показателей надежности на эффективность зерноуборочных комбайнов / С.В. Субочев, А.Е. Немцов, И.В. Коптева // Вестник НГАУ. - 2014. - № 2 (31). - С. 157-164.

96. Некраш М.Ю. Учет потерь от неплановых отказов кормоуборочной техники / М.Ю. Некраш // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. - 2004. - № 76. - С. 48-54.

97. Сухарев А.А. Влияние сроков и способов уборки на урожайность озимой мягкой пшеницы / А.С. Сухарев, Н.Г. Янковский // Зерновое хозяйство России. - 2014. - № 4. - С. 52-58.

98. Мониторинг цен на пшеницу [Электронный ресурс] // URL: https://agro-bursa.ru/prices/wheat/12-12-2021/ (дата обращения: 12.12.2021).

99. Никитин В.В. Совершенствование технологической схемы зерноуборочного комбайна и параметров его рабочих органов: Диссертация ... доктора техн. наук: 05.20.01; [Место защиты: Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I]. -Брянск, 2021. - 350 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное). Сведения о гранте, финансирующего данную работу

РОССИЙСКИЙ ФОНД ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Главная Личные данные Мои проекты Мои приглашения Организация Моя подписка

I 19-38-90037 Аспиранты

Разработка научных основ формирования полимерных композиционных материалов на основе ЗЭ-печатных каркасов, упрочненных полимерными компаундами

Проект подан от имени Основной код классификатора Дополнительные коды классификатора Ключевые слова Номер ЦИТиС

Участники проекта (2) [ 2020 ]

Денисов Вячеслав Александрович (Р)

Гончарова Юлия Александровна

юридического лица

03-106 Проблемы механики в проектировании новых материалов

03-630 Фундаментальные основы созлания новых металлических, керамических и композиционных материалов ЗР-печать, аддитивные технологии, РОМ-печать, полимер, вакуумная пропитка, компаунд, композиционный материал АААА-А20-120070990066-6

Продолжительность 3 года

Дата рождения 15.01.1953

04.08.1993

О 8

Основное место работы

ФГБНУ ФНАЦ ВИМ

ФГБНУ ФНАЦ ВИМ

Заявки и отчеты

Документ Год Дата создания Статус

Заявка 2019 25.06.2019 Поддержана

Промежуточный отчет 2019 14.07.2020 Поддержан

Промежуточный отчет 2020 04.08.2021 Поддержан

Итоговый отчет 2021 02.12.2021 Сохранен

Договоры

Номер договора

19-38-90037\19 19-38-90037\19

Сумма, р

400000.00 800000.00

Дата создания

23.0&.2019 23.0&.2019

Статус (1№ платежа)

Оплачен (№524300) Оплачен (№800003)

Дата оплаты

14.02.2020 18.09.2019

Дата отправки

05.12.2019 05.12.2019

Публикации

[Добавить публикацию по проекту]

Промежуточный отчет, 2020

1. Development of a High Strength Polymeric Composite Material Using 3D-Printing and Vacuum Impregnation Technology

2. Research of composition porosity based on 3d-printed frames and impregnated with epoxy resin

3. Исследование пористости композитных конструкций на основе ЗО-печатных каркасов, пропитанных эпоксидной смолой

4. Исследование механических свойств композиционного материала на основе 3&-печатных каркасов, наполненных полимерным компаундом

Промежуточный отчет, 2019

1. Development of a High Strength Polymeric Composite Material Using 3D-Printing and Vacuum Impregnation Technology

2. Research of Composition Porosity Based on 3D-Printed Frames and Impregnated with Epoxy Resin

Организация [ 2020 ]

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ"

7721022959 / 772101001 Москва

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное). Патент на способ упрочнения 3Б-

печатных конструкций

ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное). Акт внедрения результатов работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное). Диплом 3 степени за работу на

конкурсе

Композиты без границ

ИДЕЯ 2019

Диплом

3 место

Юлия Лопатина

«Полимерный композиционный материал

на основе Зй-печатных каркасов, упроченных полимерными компаундами»

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (обязательное). Маршрутная карта разработанного типового технологического

процесса

00 2

00 3

00 4

00 7

00 8