INVESTIGATION OF THE PROCESS OF RAPID 3D PRINTING OF CARBON FIBER MACHINE PARTS USING LASER HEATING

Full Text

Обоснование

Непрерывные пластики, армированные углеродным волокном (CFRP), широко используются в аэрокосмической, автомобильной, нефтехимической и других отраслях промышленности благодаря своему малому весу и высокой прочности [1]. Процесс производства смол, армированных углеродным волокном, все чаще переходит от ручных технологий к автоматизированным, включая автоматическую укладку волокон (AFP) и автоматическую укладку ленты (ATL). Несмотря на преимущества, процесс характеризуется высокой стоимостью и сложностью проектирования и изготовления пресс-форм [2]. Аддитивное производство, или 3D-печать, представляет собой новую технологию формования, основанную на послойном принципе, позволяющую быстро изготавливать сложные детали без использования пресс-форм. 3D-печать CFRP является экономически эффективной и обеспечивает низкий вес и высокую прочность. Данная технология может быть применена при разработке и производстве деталей сельскохозяйственных машин и оборудования [3].

Моделирование методом плавленого осаждения (FDM) является распространенным методом 3D-печати CFRP [4]. Непрерывные волокна могут быть внедрены в пластик с помощью коаксиальной экструзии для создания препрега, подходящего для печати методом FDM, или непрерывные волокна и пластиковые нити могут одновременно подаваться в сопло принтера в процессе печати. Последние исследования, в основном, сосредоточены на печати препрегами [5]. В процессе печати нить из углепластика вводится в высокотемпературное сопло, нагревается резистивным нагревателем, в результате чего пластик на поверхности углеродного волокна переходит в расплавленное состояние. Затем расплавленная нить выдавливается через сопло и моментально затвердевает.

В настоящее время активно исследуется технология 3D-печати с использованием углепластиков [6]. На сегодняшний день исследования сосредоточены на улучшении механических свойств материалов для 3D-печати [7]. Из-за природы слоистого и пластичного сплавления получаемые детали обладают значительной анизотропией. На механические свойства влияют такие параметры процесса, как температура печати, скорость печати и высота слоя, независимо от типа используемого пластика. Из результатов исследований следует, что механические свойства при растяжении снижаются с увеличением скорости печати, высоты слоя и ширины линии.

Механические свойства могут быть улучшены за счет оптимизации параметров 3D-печати, а именно уменьшения пустот в композитных компонентах в условиях низкого давления. Стоит упомянуть, что печать углепластика в вакууме улучшает адгезию композита и уменьшает пористость. Герметизация в процессе 3D-печати значительно улучшает механические свойства печатной продукции [8].

Увеличение скорости печати имеет ключевое значение для повышения эффективности 3D-печати CFRP. Современные технологии в данной области исследований позволяют различать сырье, содержащее короткие волокна, и сырье с непрерывными волокнами. Эксперименты показали, что скорость печати на композитных материалах с непрерывным волокном может составлять всего 7 мм/с. Скорость печати чистого CFRP может составлять всего 5 мм/с. Скорость печати была увеличена до 10 мм/с для небольших 3D-принтеров и до 16 мм/с за счет использования шнека для выдавливания полимолочной кислоты и последующего соединения его с углеродным волокном. Инновационные методы, такие как использование микроволн для создания вихревых токов в углеродном волокне, показали мощность нагрева в 18 Вт и скорость повышения температуры до 62,5 °C/с, что значительно уменьшает время печати деталей. Основная проблема при быстром нагреве материала при 3D-печати связана с низкой теплопроводностью и энергоэффективностью традиционных контактных резистивных нагревателей [9].

Лазеры обладают рядом преимуществ для производства изделий из углепластиков, включая бесконтактную работу, высокую плотность энергии и эффективность. Композиты-препреги с непрерывным армированием волокнами используются для изготовления деталей с помощью лазерного склеивания и резки [10]. Предварительный нагрев поверхности формуемого изделия лазером улучшает качество межслойного соединения. В AFP лазеры предпочтительнее газовых горелок и ИК-обогревателей из-за их высокой интенсивности излучения и способности увеличивать скорость укладки. Таким образом, замена резистивных нагревателей лазерами может значительно увеличить скорость нагрева и, соответственно, печати углепластика.

В данном исследовании проанализирован процесс быстрой 3D-печати моделей из углепластика с использованием лазерного нагрева. Для нагрева используется твердотельный импульсный лазер, а горячий валик уменьшает пустоты и улучшает адгезию между слоями в изделии. Данный метод позволил увеличить скорость печати до 30 мм/с по сравнению с предыдущими 5 мм/с. С помощью программного обеспечения COMSOL была разработана модель теплового поля для лазерного нагрева углепластика, позволяющая анализировать распределение температуры при различной мощности лазера и скорости печати, сохраняя постоянный радиус пятна. Были определены и проверены оптимальные параметры печати, оценены свойства при растяжении, изгибе и сдвиге образцов углепластика, изготовленных с помощью 3D-лазерной печати, исследованы изменения свойств образцов при различных скоростях печати и мощности лазера.

Цель

Основной целью данного исследования является изучение возможности и эффективности быстрой 3D-печати деталей из непрерывного углепластика (CFRP), армированного углеродным волокном, с использованием лазерного нагрева.

Методы

В процессе изготовления образцов, описанном в этом исследовании, пластиковый слой, армированный углеродным волокном, создается с использованием лазера вместо обычного контактного резистивного нагревателя. Как показано на рис. 1а, материал подается в направляющую с помощью механизма подачи и направляется в зону лазерного излучения. Здесь часть лазерной энергии отражается и поглощается прозрачной матричной смолой на поверхности материала. Остаточная лазерная энергия проникает в полимерную матрицу и поглощается углеродным волокном, вызывая нагревательный эффект. Процесс позволяет быстро накапливать тепло. Благодаря теплопроводности полимерная матрица на поверхности переходит в расплавленное состояние. Затем расплавленная сердцевина уплотняется и затвердевает на месте под давлением горячего валика.

В качестве армирующего материала было использовано непрерывное углеродное волокно 1 kT 300 на основе полиакрилонитрила производства SINOPEC. В качестве матричной смолы использовалась прозрачная полимолочная кислота 4032D производства NatureWorks. Объемная доля волокон рассчитана по формуле (1) и составила приблизительно 16,2%:

(1)

где V_f обозначает объемную долю углеродных волокон, k – технические характеристики жгута из углеродного волокна, d – диаметр одного углеродного волокна (7 мкм), а D – диаметр CFRP.

На рисунке 1б показан 3D-принтер непрерывного действия из углеродного волокна, содержащий трехосевую конструкцию перемещения XYZ и печатающую головку из углепластика. Шаговый двигатель расположен над печатающей головкой для регулировки направления печати, обеспечивая соответствие траектории лазерного излучения. Щетки, расположенные под печатающей головкой, пропускают ток между вращающейся и неподвижной частями. Направляющее устройство фиксирует углепластик, направляя его в зону лазерного облучения. Горячий валик обеспечивает необходимое давление для печати, а натяжение перед печатью регулируется пружинным механизмом. В системе используется твердотельный импульсный лазер номинальной мощностью 5,5 Вт, излучающий синий свет с длиной волны 400-450 нм. Мощность лазера регулируется с помощью широтно-импульсной модуляции.

Для обеспечения оптимального плавления углепластика необходимо точно регулировать мощность лазера, поскольку недостаточное поглощение энергии предотвращает плавление, в то время как чрезмерное поглощение энергии приводит к разложению при высоких температурах. Подходящий диапазон температур нагрева углепластика составляет 180-230°C. С помощью COMSOL была разработана тепловая модель лазерного нагрева углепластика для определения оптимальной мощности лазера при различных скоростях печати. Амплитудное распределение поперечного сечения поля излучения лазерного резонатора соответствует функции Гаусса, при этом энергия уменьшается от центра к краям.

Когда лазер облучает материал, энергия отражается, поглощается и передается на поверхность материала. Для непрозрачного углеродного волокна пропускание лазера незначительно, а поглощение лазера составляет приблизительно 48%. В связи со сложностью процесса лазерного нагрева углепластика была создана упрощенная двумерная модель теплового поля для изучения теплопередачи и распределения температуры во время нагрева. Были сделаны следующие допущения:

1. Полимерная матрица полностью прозрачна, не отражает оптические лучи при нагревании и имеет коэффициент поглощения лазерной энергии, равный 0.
2. Теплофизические параметры углеродного волокна, такие как теплоемкость при постоянном давлении, плотность и теплопроводность, остаются неизменными при изменении температуры.
3. Эффект вторичного облучения после отражения лазера не учитывается.
4. Углеродное волокно рассматривается как единое целое, без учета его проникновения в матричную смолу.

Нагревательный эффект лазера на углеродном волокне моделируется как тепловой поток на поверхности углеродного волокна. Процесс нагрева включает в себя накопление тепла, конвекцию и теплопроводность. Граничное уравнение для процесса выглядит следующим образом:

,

(2)

где Q указывает на поверхностный источник тепла, соответствующий распределению по Гауссу, и используется для моделирования теплового излучения лазера, выраженного как:

,

(3)

где P – обозначает мощность лазера; η – представляет собой КПД лазера; r –радиус лазерного пятна; x₀, y₀ – координаты точки лазерного облучения.

Во время нагревания матричная смола претерпевает фазовый переход из твердой фазы в жидкую, и ее скрытая теплота сгорания q_a выражается в виде функции:

,

(4)

Теплофизические параметры углеродного волокна T300 и полимолочной кислоты приведены в таблице 1. Под воздействием лазерного излучения углеродное волокно быстро нагревается и проводит тепло как в осевом, так и в радиальном направлениях, как показано на рисунке 2а. Подходящая температура для углеродного волокна, подвергнутого воздействию лазера, достигается путем последовательной регулировки мощности лазера и скорости печати, как показано на рисунке 2в.

Для проверки теоретической модели и результатов моделирования были проведены эксперименты. В ходе экспериментов в углеволокно был встроен высокоточный (±0,1 °C) микротермистор, поверхность которого была полностью покрыта полимолочной кислотой, что позволяло измерять внутреннюю температуру пластика.

Лазером, установленным на направляющей оси X принтера FDM, можно управлять для перемещения вдоль оси X. Лазер перемещается слева направо с различной скоростью, проходя точку измерения термистора. Движение лазера вдоль углеродного волокна стимулирует процесс динамического облучения, происходящий во время печати. На рисунке 2г представлена корреляция между температурой в месте измерения и затраченным временем при движении лазера с разной скоростью, что согласуется с результатами моделирования, представленными на рисунке 2б.

Несколько наборов однонаправленных образцов углепластика были напечатаны со скоростью от 5 до 30 мм/с, чтобы подтвердить возможность и стабильность высокоскоростной 3D-печати углеродного волокна с использованием лазерного нагрева. Размеры образцов для испытания на растяжение составляли 120×10×2 мм (длина, ширина, толщина). Образцы для испытания на изгиб в трех точках имели размеры 80×10×4 мм (длина, ширина, толщина).

Все образцы были напечатаны концентрическими контурами, как показано на рисунке 3а. Методика испытаний представлена на рисунке 3б. Основные параметры печати подробно описаны в таблице 2.

Механические свойства оценивались с помощью универсальной испытательной машины WWW-20KN. Испытание на растяжение проводилось при скорости нагружения 2 мм/мин, а растягивающая деформация измерялась с помощью электронного экстензометра, прикрепленного к образцу. Испытание на связывание проводилось при ширине опоры 64 мм и скорости нагружения 10 мм/мин. Испытание на сдвиг проводилось путем растягивания образца со скоростью нагружения 2 м/мин. Методика испытания механических свойств представлена на рисунке 3.

Результаты

Прочность на разрыв постепенно снижается по мере увеличения скорости печати от 5 до 15 мм/с, после чего следует резкое снижение при скорости 20 мм/с. Наклон кривой прочности на изгиб заметно увеличивается при скорости печати 25 мм/с. Прочность на сдвиг снижается экспоненциально с увеличением скорости печати. При скорости печати 5 мм/с средние значения прочности образцов на растяжение, изгиб и сдвиг составили 280,72 МПа, 387,85 МПа и 17,45 МПа соответственно. Эти показатели снизились на 5,39%, 12,53% и 10,6% соответственно, когда скорость печати увеличилась до 15 мм/с. Примечательно, что результат демонстрирует лучшую производительность по сравнению со снижением прочности на изгиб на 38,46%, о котором сообщалось в других испытаниях при аналогичной скорости.

Кроме того, при скорости печати 30 мм/с прочность на растяжение, изгиб и сдвиг составила 217,17 МПа, 241,82 МПа и 9,76 МПа соответственно, что представляет собой снижение на 22,64%, 37,19% и 44,07% от их значений при 5 мм/с.

Обсуждение

Механические свойства углеродного волокна при 3D-лазерной печати оценивались на различных скоростях печати, чтобы выявить возможность быстрого прототипирования с использованием углеродного волокна. Прочность на растяжение в продольном направлении, прочность на изгиб и прочность на сдвиг при быстрой 3D-печати из углеродного волокна с использованием лазера демонстрируют отрицательную корреляцию со скоростью печати. Модуль упругости при изгибе также демонстрирует отрицательную корреляцию со скоростью печати, тогда как модуль упругости при растяжении остается неизменным.

Заключение

В данном исследовании рассмотрен метод быстрой 3D-печати непрерывных пластиков, армированных углеродным волокном, с использованием лазерного нагрева. Лазерное излучение поглощается углеродным волокном, что приводит к быстрому накоплению тепла и передаче его полимерной матрице, что значительно увеличивает скорость нагрева. Это позволяет быстро изготавливать композитные детали для сельскохозяйственных машин. По сравнению с традиционными процессами контактного нагрева, которые ограничены скоростью печати менее 5 мм/с, предлагаемый способ позволяет достичь скорости до 30 мм/с и выше, тем самым повышая производительность 3D-печати деталей сельскохозяйственных машин из углеродного волокна.

Дополнительная информация

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ. Данная статья подготовлена в рамках выполнения 1-го этапа научно-исследовательской работы, реализуемой за счет средств федерального бюджета (источник финансирования – Минобрнауки РФ) по теме: «Разработка научных, методологических и практических основ реверсивного инжиниринга для решения комплексных задач импортозамещения в агропромышленном комплексе Российской Федерации» (шифр научной темы FZNW-2024-0026).

Funding source. This article was prepared as part of the 1st stage of research work carried out at the expense of the federal budget (the source of funding is the Ministry of Education and Science of the Russian Federation) on the topic: "Development of scientific, methodological and practical foundations of reverse engineering for solving complex import substitution problems in the agro-industrial complex of the Russian Federation" (code of the scientific topic FZNW-2024-0026).

About the authors

Maria Yu. Karelina

Federal State Budgetary Educational Institution "State University of Management"; Federal State Budgetary Educational Institution "Moscow Automobile and Road Engineering State Technical University (MADI)"

Email: karelinamu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0335-7550
SPIN-code: 1852-1782

Doctor of Technical Sciences, Doctor of Pedagogical Sciences, Professor, Vice-rector, Head of the Department "Machine Parts and Theory of Mechanisms"

Russian Federation, 99 Ryazansky Prospekt, Moscow, 109542; 64 Leningradsky Prospekt, Moscow, 125319

Denis A. Yudin

Federal State Budgetary Educational Institution "State University of Management"; Federal State Budgetary Educational Institution "Moscow Automobile and Road Engineering State Technical University (MADI)"

Author for correspondence.
Email: Denis.yudin.qaz@gmail.com

postgraduate student, specialist of the Laboratory of Reverse Engineering

Russian Federation, 99 Ryazansky Prospekt, Moscow, 109542; 64 Leningradsky Prospekt, Moscow, 125319

Alexey V. Terentyev

Federal State Budgetary Educational Institution "State University of Management"; Federal State Budgetary Educational Institution "Moscow Automobile and Road Engineering State Technical University (MADI)"

Email: aleksej.terentev.67@bk.ru
SPIN-code: 6676-4524

Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department "Machine Parts and Theory of Mechanisms"

99 Ryazansky Prospekt, Moscow, 109542; 64 Leningradsky Prospekt, Moscow, 125319

References

Supplementary files