Применение быстрого прототипирования в АПК на примере опор скольжения

УДК 621.7

ПРИМЕНЕНИЕ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ В АПК НА ПРИМЕРЕ ОПОР СКОЛЬЖЕНИЯ

Краснящих Константин Александрович, кандидат технических наук, доцент, Свиридов Алексей Сергеевич, магистрант, Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К. А. Тимирязева,

Москва, РФ

Внедрение быстрого прототипирования приобретает массовый характер, не исключением стал и АПК. Одной из возможностей применения быстрого прототипирования в этой отрасли является изготовление опор скольжения. Таким образом некоторые запасные части теперь можно получать в условиях небольших ремонтных предприятий, тем самым, не нарушая агротехнических норм и снижая простой техники.

Ключевые слова: быстрое прототипирование; FDM; опора скольжения; 3D-принтер; термопластик; физико-механические свойства.

THE APPLICATION OF RAPID PROTOTYPING IN AGRICULTURE ON THE EXAMPLE OF SLIDING SUPPORT

Krasnyashchih Konstantin Aleksandrovich, PhD (Cand. Tech. Sci.), associate professor, Sviridov Aleksei Sergeevich, the undergraduate, Russian Timiryazev State Agrarian University, Moscow, Russia

The introduction of rapid prototyping is becoming mass, the agribusiness sector was not an exception. One of the possibilities of rapid prototyping in this industry is the manufacture of sliding supports. Thus, some spare parts can be obtained now in the conditions of small repair plants, thereby not violating the agricultural standards and reducing simple equipment.

Keywords: rapid prototyping; FDM; sliding support; 3D-printer; thermoplastic; physical and mechanical properties.

Для цитирования: Краснящих К. А., Свиридов А. С. Применение быстрого прототипирования в АПК на примере опор скольжения // Наука без границ. 2018. № 2 (19). С. 51-55.

В последнее время внедрение быстрого прототипирования приобрело массовый характер во многих областях науки и отраслях промышленности. Так, известны примеры применения их в строительстве, медицине, опытном производстве машиностроительных изделий и т. д. Несомненно, в дальнейшем эти технологии, ввиду возможности удешевления штучного и мелкосерийного производства и ускорения работ по модернизации изделий, займут своё место и в агропромышленном комплексе. Одной из возможностей при-

менения быстрого прототипирования является изготовление опор скольжения.

Ввиду специфики машиностроительных изделий сельскохозяйственного назначения наиболее широкое применение могут найти технологии 3D-печати FDM (FFF), заключающейся в формировании детали путем послойного наплавления термопластиков. Среди преимуществ этой технологии - относительно низкая себестоимость оборудования и расходных материалов.

Технология 3D-печати FDM

включает в себя несколько этапов формирования изделия.

На первом этапе при помощи инструментария выбранной САПР, такой как Autodesk AutoCAD, SolidWorks, АСКОН Компас-3D, Autodesk Inventor создается геометрическая твердотельная модель [1]. При этом задаются размеры, определённые по детали-заготовке или отраслевому справочнику. В большинстве вышеперечисленных программ можно выполнить прочностной расчет модели детали, задав необходимый материал и нагрузки.

Стоит отметить, что алгоритм печати на 3D-принтере и структура распечатанной детали могут отличаться в зависимости от применяемой САПР. Так, созданная при помощи Компас-3D геометрическая модель при 20 %-м заполнении по умолчанию будет иметь поддерживающие ребра в виде квадратов (рис. 1), тогда как в SolidWorks эти же ребра будут выполнены в виде шестиугольников, что задает большую прочность при эксплуатации [2].

При необходимости настройки всех параметров детали перед печатью геометрическая модель обрабатывается специальной программой - слайсером, который в итоге преобразует модель в последовательность команд для 3D-принтера, например, в G-код.

Вторым этапом формирования изделия является подбор материала для будущей детали. Материал определяет механическая прочность, износостойкость, термостойкость и др. характеристики будущей детали. Для предварительного выбора вида термопластика необходимо проанализировать, каким механическим, температурным, динамическим и другим воздействиям будет подвержена деталь [3].

3D-Принтеры позволяют печатать пластиками различных видов. Наибольшее распространение получили термопластики ABS и PLA. Рассмотрим особенности этих материалов.

PLA пластик создается из различных продуктов сельского хозяйства - кукурузы, картофеля, сахарной свеклы и т. п. - и считается более экологичным по сравнению с другими видами термопластиков, изготавливаемых из продуктов нефтехимии. PLA имеет достаточную высокую прочность, но обладает повышенной хрупкостью, что ограничивает его применение в изделиях, подверженных значительным механическим нагрузкам. PLA-пластик сложнее других видов термопластиков поддается обработке. Низкая температура плавления этого материала обуславливает необходимость охлаждения опор скольжения, выполненных из PLA-пластиков. При этом

Рис. 1. 20 %-ое заполнение геометрической модели

Таблица 1

Сравнительные характеристики термопластиков

Пластик ABS PLA SBS

Температура стеклования, 0С 105 75 115

Прочность на изгиб, МПа 41 55,3 1450

Предел прочности на разрыв, МПа 22 57,8 34

Модуль упругости при растяжении, МПа 1627 3300 1350

Относительное удлинение, % 6 3,8 250

Усадка при охлаждении, % до 0,8 нет 0,2.1,2

Плотность материала, г/см3 1,05 1,23...1,25 1,01

материал обладает наименьшим коэффициентом трения среди аналогов.

ABS пластик является достаточно прочным. Прочность на изгиб составляет 41 МПа, а предел проточности на разрыв 22 МПа. Эти показатели можно увеличить, выдерживая изделие в среде паров ацетона, позволяющей сгладить и более надежно склеить все слои между собой. Этот вид пластика отличается более высокой температурой плавления, но обладает большим коэффициентом трения по сравнению с PLA-пластиком, из-за чего применение его в опорах скольжения возможно с обеспечением обильной смазки.

Одним из наиболее перспективных для применения в агропромышленном комплексе термопластиков является SBS, который обладает высокими показателями термоустойчивости, сопротивления трению и др. Следует отметить, что при всех своих преимуществах термопластик SBS в 2,5...3 раза дороже, чем PLA и ABS, что может ограничить его использование (табл. 1).

Заключающим этапом формирования детали является распечатка на 3D-принте-ре. Для этого предварительно настроенная модель при помощи САПР или слайсе-ра преобразуется в формат *.stl. Слайсер обычно включен в комплект поставки с оборудованием для 3D-печати и может

иметь самые различные варианты исполнения интерфейса. При этом перечень настраиваемых программами параметров практически не отличается. Программное обеспечение преобразует геометрическую модель в последовательность команд для 3D-принтера, задающую параметры каждого распечатываемого слоя. Настройки позволяют выбрать скорость печати, точность, поддержку и т. д. Точность модели зависит от скорости печати, наиболее точные детали можно получить при 50 мм/с, а также и от диаметра сопла, эталонным считается 0,4. Толщина слоя тоже играет свою роль и для отличного качества составляет 0,05...0,15 мм в зависимости от пластика. Усадка материала также различна для каждого вида термопластика и должна быть определена экспериментально.

Опоры скольжения, изготовленные из пластиков, в процессе работы подвергаются значительным механическим, термическим, химическим и др. воздействиям, из-за чего часто возникает необходимость в замене этих деталей. Приобретение запасной части не всегда возможно или целесообразно. Применение технологии FDM (FFF) может решить проблему замены этих деталей [4, 5]. Зачастую можно заменить даже металлические втулки, но из-за несовпадения характеристик термо-

Рис. 2. Дополнительные конструктивные элементы втулок

пластика, бронзы или других материалов возникает необходимость в применении втулок с дополнительными конструктивными элементами, проточками, канавками и др., формирование которых для металлических деталей, зачастую, экономически нецелесообразно, но легко осуществляется при 3D-печати (рис. 2).

Эти конструктивные элементы служат для задерживания смазки в паре трения, что может снизить коэффициент трения, износ и температурное воздействие на де-

тали.

Снижение рабочей температуры в опоре скольжения посредством охлаждения, позволяет применять более дешевые термопластики с небольшой температурой плавления (рис. 3).

При изготовлении опор скольжения, при помощи технологии FDM (FFF) с применением неполного заполнения модели, можно добиться уменьшения количества необходимого сырья при сохранении основных физико-механических свойств.

ABS SBS

Температура плавления

Рис. 3. Температура плавления термопластиков

Рис. 4. Демпфированная опора скольжения

Применение дихлорметана при изготовлении деталей из PLA-пластиков и ацетона для ABS-пластиков, позволяет добиться увеличения эластичности и упругости материала, что можно использовать в опорах скольжения, требующих демпфирования нагрузок. Без модификации пластика такой эффект можно достичь, придав втулке особую форму (рис. 4).

Технологии быстрого прототипирова-

ния открывают широкие возможности в техническом сервисе сельскохозяйственной техники. Некоторые запасные части теперь не обязательно доставлять к месту ремонта, в условиях небольших ремонтных предприятий можно быстро получать готовые изделия с минимальными затратами времени и средств, что позволит сократить простои техники и издержки на ремонт.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Компьютерное проектирование в системе AutoCAD / А. С. Дорохов, Ю. В. Катаев, К. А. Краснящих, Г. М. Вялых. М. : Изд-во РГАУ-МСХА. 2016. 80 с.

2. Выполнение чертежей с использованием системы «Компас-3D» / А. С. Дорохов, Е. Л. Че-пурина, К. А. Краснящих, Ю. В. Катаев, Г. М. Вялых. М. : Изд-во РГАУ-МСХА. 2016. 76 с.

3. Скороходов Д. М. Устройство для контроля параметров запасных частей // Сельский механизатор. 2016. № 9. C. 36-37.

4. Инновационные направления развития ремонтно-эксплуатационной базы для сельскохозяйственной техники / С. А. Соловьев, В. П. Лялякин, С. А. Горячев, З. Н. Мишина, В. С. Герасимов, Р. Ю. Соловьев, В. И. Черноиванов, И. Г. Голубев. М. : ФГБНУ «Росинформа-гротех». 2014. 160 с.

5. Система автоматизированного контроля управлением техническим состоянием машин и оборудования / И. Н. Кравченко, В. М. Корнеев, Ю. В. Катаев, Т. А. Чеха // Сельский механизатор. 2016. № 9. С. 22-23.

REFERENCES

1. Dorohov A. S., Kataev Yu. V., Krasnyashchih K. A., Vyalyh G. M. Kompyuternoe proektirovanie v sisteme AutoCAD [Computer design in AutoCAD system]. Moscow, RGAU-MSHA, 2016, 80 p.

2. Dorohov A. S., Chepurina E. L., Krasnyashchih K. A., Kataev Yu. V., Vyalyh G. M. Vypolnenie chertezhej s ispol'zovaniem sistemy «Kompas-3D» [Execution of drawings using the Compass-3D system»]. Moscow, RGAU-MSHA, 2016, 76 p.

3. Skorohodov D. M. Ustroistvo dlya kontrolya parametrov zapasnyh chastei [Device for monitoring the parameters of spare parts]. Sel'skii mekhanizator, 2016, no. 9, pp. 36-37.

4. Solov'ev S. A., Lyalyakin V. P., Goryachev S. A., Mishina Z. N., Gerasimov V. S., Solov'ev R. Yu., Chernoivanov V. I., Golubev I. G. Innovatsionnye napravleniya razvitiya remontno-ehkspluatacionnoi bazy dlya sel'skohozyaistvennoi tekhniki [Innovative directions of development of repair and operational base for agricultural machinery]. Moscow, Rosinformagrotekh, 2014, 160 p.

5. Kravchenko I. N., Korneev V. M., Kataev Yu. V., Cheha T. A. Sistema avtomatizirovannogo kontrolja upravleniem tehnicheskim sostojaniem mashin i oborudovanija [Automated management control system technical condition of vehicles and equipment]. Sel'skii mekhanizator, 2016, no. 9, pp. 22-23.

Материал поступил в редакцию 13.02.2018 © Краснящих К. А., Свиридов А. С., 2018