Design of prototype devices for producing metal microspheres and shells

Full Text

Введение Применение облегченных конструкций в сегодняшнем мире продиктовано стремлением повысить эффективность работы машин и механизмов при одновременном снижении потребления энергии. Для решения поставленной задачи применяют новые материалы. Их изготовление является приоритетной задачей, с которой также связаны разработка соответствующих машин и технологий. Изготовление микро- и макросфер с внешним диаметром Æ0,5-3 мм металлургическим способом является сравнительно новой задачей. Как было показано М.А. Петровым и др. 1, области применения данного продукта весьма многообразны. Однако на сегодняшний день отсутствуют подобные промышленные технологии, основанные на металлургическом методе. В техническом университете Фрайбергская Горная Академия (Германия) была разработана лабораторная установка, позволяющая изготавливать подобные сферы напрямую из расплава металла. Данный стенд был взят за основу разработанного прототипа одного из исполнений промышленной установки. Управление отдельными параметрами осуществляется при помощи мехатронной системы, которая состоит из электронной, пневматической и макетной частей. Рассмотренная в статье М.А. Петрова и др. 1 производственная схема включает следующие этапы: подготовка расплава, изготовление сфер, охлаждение и сбор, термообработка, контроль качества, сортировка и изготовление ячеистых структур и композитов. В данной статье рассмотрены начальные этапы технологической цепочки, а именно: производство и сбор получаемых микросфер - для которых и был создан функциональный прототип. Методы бытрого прототипирования относятся к аддитивным методам производства. Из названия способа следует, что деталь изготавливается добавлением (трехмерная печать, выращивание) или вычитанием (фрезерование) материала, которое осуществляется послойно. Теоретическая часть Для связи параметров мехатронной системы была необходима проработка отдельных интерфейсов (стеков), которые отвечают за распараллеливание задач между ядрами процессора; сбор, обработку и передачу команд с компьютера на компоненты мехатронной системы; взаимосвязь с базой данных материалов и оборудования; возможность ручной настройки параметров процесса. В основу управления мехатронной системой была положена теория подобия (безразмерного анализа), в соответствии с которой совокупность параметров системы описывается системой безразмерных уравнений, полученных на основании P-теоремы (уравнения 1) 3, в которых далее определяются неизвестные коэффициенты. (1) где L, M, T и Q соответствуют основным единицам метрической системы СИ – метр, килограмм, секунда и градус цельсия соответственно. При составлении таких уравнений для процесса изготовления микросфер были учтены как физические параметры расплава (динамическая вязкость, температура плавления, температура кристаллизации, поверхностное натяжение, плотность), так и технологические параметры процесса (рабочая температура, диаметр сопла форсунки, объемный расход расплава, объемный расход газа). Далее производится графическое представление уравнений и ищется точка перечечения кривых, которые описываются левой и правой частью каждого уравнения. Данная точка соответствует параметрам, которые необходимо выдерживать для удачного проведения процесса. Конструкторская часть В прототипе реализована упрощенная система управления (кнопочная), при которой задействуются электронная и пневматическая части, однако не происходит автоматизированного управления параметрами процесса. В соответствии с этой системой при помощи трех переключателей задействуются четыре электромагнитных пневмотических клапана, открывающих и закрывающих контуры подачи сжатого воздуха к потребителям (таблица 1), а именно: пневмоцилиндру (ПЦ), линейно-вращательному приводу (ЛВП), емкости охлаждения и сбора микросфер (ЕОС), тигелю (Т). Таблица 1 Управление компонентов пневматической системы Переключатель Компоненты системы ПЦ ЛВП ЕОС Т 1 х х - - 2 - - х - 3 - - - х На рисунке 1 представлен один из вариантов подключения ЛВП к пневматическому контуру системы. Данный контур включает в себя ЛВП с двумя трехходовыми магнитными клапанами, манометрами и ресиверами. Также в системе предусмотрен Т с одним двухходовым клапаном, к которому подключена линия подачи защитного газа. Сбор информации и управление процессом происходит через карту АЦП. Рисунок 1. Вариант подключения пневматического контура с ЛВП и Т а) б) в) Рисунок 2. Прототип мехатронной системы (а – трехмерная модель, выполнена в Solid Works, б – преобразование поверхностей в программе NetFabb Professional; в – прототип, предварительная сборка; 1 – компрессор; 2 – шкаф управления; 3 – пневмоаппаратура; 4 – макетная часть) Модель прототипа мехатронной системы была разработана с применением программы Solid Works (рисунок 2а). Далее модель экспортирована и подготовлен файл с расширением IGES, который используется программой NetFabb Professional для создания рабочего файла оборудования. Программа производит разбиение поверхностей и определение мест создания поддерживающих элементов, которые после выращивания детали будут удалены (рисунок 2б). При производстве деталей по технологии FDM (Fused Deposition Method) используется высокопрочный АБС-пластик, который поступает в виде нити к нагреваемой фильере и выдавливается через нее. Получаемые детали имеют повышенную шероховатость и высокую пористость. Данная пористость была устранена путем лакирования деталей. Однако для работы со сжатым воздухом иногда это оказывается недостаточным и приходится выбирать другую технологию, например MJM (Multi-Jet Melting). В основе данной технологии лежит отверждение светочувствительного полимера ультрафиолетом. Получаемые механические свойства деталей, изготовленных по двум технологиям, приведены в таблице 2. Детали большой площади и с простой геометрией изготовлялись на гравировально-фрезерном станке из оргстекла с исходной толщиной 3 мм. Полученные отдельные компоненты обрабатывались до совпадения частей друг с другом, лакировались и собирались вместе. В прототипе присутствуют как резьбовые, так и клеевые соединения. Это указывает на гибкость при использовании различных типов соединений с деталями, полученными по разным технологиям быстрого прототипирования. Предварительная сборка полученного функционального прототипа представлена на рисунке 2в. Таблица 2 Средние значения механических свойств материалов Материал Предел прочности, МПа Отн. удл-е, % Толщина слоя, мм Плотность, кг/м3 Рабочая температура изделия, °C Прозрачность (по сравне-нию с орг-стеклом), % АБС-пластик (FDM) 5 36 3 – 4 0,25 1040 90 0 Фотополимер (MJM) 6 42,4 6,83 0,032 1020 56 20 – 30 Оргстекло 7 70 – 83 5 нет 1180 80 100 Выводы Полученный прототип представляет собой соединение контуров разного функционального назначения, которые вместе образуют мехатронную систему. Выбранные технологии прототипирования позволили с требуемой точностью и качеством произвести отдельные компоненты системы. С ее помощью с целью оптимизации процесса в реальном времени могут быть получены закономерности изменения параметров входящих в нее компонентов. Заключение Работа представляет результат конструкторско-технологической деятельности, в результате которой был создан функциональный прототип (макет) мехатронной системы. Данный макет является одним из этапов при переходе к освоению промышленной технологии получения металлических микросфер.

About the authors

M. A Petrov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI) TU Bergakademie Freiberg

Email: petroffma@gmail.com

N. V Kosachev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI) TU Bergakademie Freiberg

P. A Petrov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI) TU Bergakademie Freiberg

A. A Shejpak

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI) TU Bergakademie Freiberg

Ju. L Bast

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI) TU Bergakademie Freiberg

References

Supplementary files