Исследование точности размеров, обеспечиваемых технологией 3D-печати

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.923

DOI 10.21685/2072-3059-2019-1-6

А. Е. Зверовщиков, Д. А. Шелахаев, С. А. Нестеров

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ РАЗМЕРОВ, ОБЕСПЕЧИВАЕМЫХ ТЕХНОЛОГИЕЙ 3D-ПЕЧАТИ

Аннотация.

Актуальность и цели. Объектом исследования являются изделия, изготовленные при помощи 3Б-печати из АВС-пластмасс при различных технологических режимах. Предметом исследования является точность размеров поверхностей различного характера и расположения на деталях, изготовленных с различной толщиной спекаемого слоя. Цель работы - оценка погрешности размеров поверхностей деталей, включающая в себя расчет предельных отклонений и величины смещения центра группирования реальных размеров изделия относительно номинальных размеров, заданных 3Б-моделью.

Материалы и методы. Исследования погрешности размеров изделий, изготовленных методом печати на 3Б-принтерах, выполнены методами промышленного эксперимента, технических измерений со статистической обработкой результатов.

Результаты. Предложена методика оценки погрешностей для размеров полимерных деталей, изготовленных по технологии FDM. Исследовано влияние технологических режимов на точность размеров и смещение поля распределения размеров. Приведены результаты оценки погрешностей для разных интервалов и типов размеров.

Выводы. Оценка погрешности полимерных деталей позволяет прогнозировать точность размеров поверхностей изделий, полученных по рассматриваемой технологии, и обеспечить собираемость сборочных единиц из деталей, изготовленных на 3Б-принтерах.

Ключевые слова: 3Б-печать, погрешность размеров, точность деталей, отклонения, поле допуска.

A. E. Zverovshchikov, D. A. Shelakhaev, S. A. Nesterov

RESEARCH OF THE DIMENSIONS ACCURACY PROVIDED BY 3D TECHNOLOGY TECHNOLOGY

Abstract.

Background. The object of the study are products made using 3d printing from ABC plastics under various technological conditions. The subject of research is the

© Зверовщиков А. Е., Шелахаев Д. А., Нестеров С. А., 2019. Данная статья доступна по условиям всемирной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.Org/licenses/by/4.0/), которая дает разрешение на неограниченное использование, копирование на любые носители при условии указания авторства, источника и ссылки на лицензию Creative Commons, а также изменений, если таковые имеют место.

accuracy of the dimensions of surfaces, of different nature and location on parts made with different thickness of the sintered layer. The purpose of the work is to estimate the error in the dimensions of the surfaces of the parts, which includes the calculation of the maximum deviations and the magnitude of the displacement of the center of grouping the actual dimensions of the product relative to the nominal sizes given by the 3D-model.

Materials and methods. Studies of the size error of products manufactured by printing on 3D printers are carried out by industrial experiment methods, technical measurements with statistical processing of results.

Results. A method for estimating errors for the sizes of polymer parts manufactured using FDM technology is proposed. The influence of technological regimes on the dimensional accuracy and the displacement of the field of the size distribution is investigated. The results of the estimation of errors for different intervals and types of sizes are given.

Conclusions. Estimation of the accuracy of polymer parts allows us to predict the dimensional accuracy of the surfaces of products obtained by the technology in question and ensure the assembly of assembly units from parts made on 3d printers.

Keywords: 3D printing, dimensional error, accuracy of parts, deviations, tolerance field.

Введение

На сегодня группа аддитивных технологий, первая из которых была разработана около 40 лет назад, активно развивается и находит применение в различных областях человеческой деятельности. В машиностроении аддитивные технологии используются для быстрого прототипирования, изготовления единичных изделий или мелкосерийного производства, подготовки оснастки для процессов литья и т.д. Применение такой разновидности аддитивных технологий, как 3Б-печать, позволяет ускорить как процесс разработки нового изделия, так и процесс изготовления мелких партий деталей и деталей сложной формы за счет высокой степени автоматизации процессов и универсальности оборудования. Эта технология является единственной возможностью быстрого изготовления единичных деталей особо сложной формы [1].

Одной из наиболее распространенных технологий 3Б-печати является технология послойного наложения расплавленной нити (FDM или FFF) [2]. Она предполагает последовательное нанесение слоев расплавленного материала, слой формируется за счет подачи расплава через сопло малого диаметра при обходе печатающей головкой контура модели. Эта технология широко используется при изготовлении прототипов изделий в единичном и мелкосерийном производстве пластиковых деталей.

Одним из основных недостатков данной технологии, сдерживающим ее применение в промышленном производстве, является более низкая, по сравнению с лезвийной обработкой, точность изготовления деталей. Оценка точности элементов деталей, полученных на 3Б-принтерах, в подавляющем большинстве случаев основана на данных производителей оборудования. Исследования точностных параметров процесса изготовления деталей из полимеров при помощи 3Б-печати практически отсутствуют или носят обзорно-рекламный характер. Единственным фактором, рассматриваемым в качестве определяющего точность детали, считается толщина наплавляемого слоя.

Данный фактор, несомненно, имеет существенное влияние на точность размеров изделия, но является далеко не единственным. Таким образом, оценить технологические возможности и область применения упомянутой технологии при изготовлении деталей с заданной техническими условиями точностью размеров весьма затруднительно.

Для количественной оценки точностных показателей 3Б-принтера необходима методика, основанная на системном подходе к погрешностям элементов изготавливаемой детали.

Первым аспектом является различие точности получения охватывающих и охватываемых элементов. Это обусловлено особенностями технологии нанесения слоев материала при наплавке, а также направлением деформаций, сопровождающих полимеризацию и охлаждение материала.

Вторым аспектом является разграничение размеров получаемых элементов на интервалы, соответствующие стандартам взаимозаменяемости [3]. Точность повторного позиционирования рабочих органов принтера, как и любого оборудования с ЧПУ, необходимо оценивать как совокупность постоянной составляющей и составляющей, пропорциональной номиналу величин перемещения.

Третьим аспектом является зависимость погрешности размеров как функция расположения относительно осей перемещения рабочих органов либо системы координат оборудования. Этот фактор определяется исходной точностью приводов, износом направляющих, состоянием датчиков положения исследуемого принтера. Количественная оценка этого фактора для технологии в целом весьма затруднительна.

Кроме перечисленных обстоятельств, следует также принимать во внимание точность отработки линейной и круговой интерполяции, также зависящую от ряда конструктивных параметров оборудования и характеристик системы ЧПУ.

1. Методика проведения исследования

Базируясь на вышеизложенном, можно сделать вывод, что использование серийной детали для оценки точностных параметров 3Б-принтера и процесса в целом проблематично. Поэтому был разработан тестовый образец изделия с комплектом элементарных поверхностей, определяющих 32 контролируемых размера, которые делятся на следующие группы:

• охватываемые линейные - 10 размеров,

• охватываемые диаметральные - 5 размеров,

• охватывающие линейные - 5 размеров,

• охватывающие диаметральные - 5 размеров,

• остальные размеры - 7 размеров.

В каждой группе присутствуют номиналы размеров, относящиеся к различным интервалам.

Для упрощения дальнейшей работы с размерами каждому из них был присвоен индивидуальный индекс, указываемый на эскизе в скобках после обозначения размера.

В качестве представителя достаточно распространенного типоразмера оборудования использовался 3Б-принтер марки PICASO 3D Designer, вы-

держка из паспортных технических характеристик которого приведена на рис. 1 [4]. Для оценки технологических возможностей была изготовлена партия тестовых образцов изделия (рис. 2).

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПЕЧАТЬ

Технология печати: Fused Filament

Fabrication [FFF]

Область печати: 200 x 200 x 210 мм

Скорость печати: до 30 см3/ч

Минимальная

толщина СЛОЯ: 50 микрон [0.05 мм]

Точность

позиционирования: XY: 11 microns;

Z: 1.25 microns

Диаметр

пластиковой НИТИ: 1.75+-0.2мм

Диаметр сопла: 0.3 мм

Рис. 1. Технические характеристики 3D-принтера PICASO 3D Designer

В качестве постоянных технологических факторов были приняты скорость перемещения печатающей головки 45 мм/с, заполнение внутреннего объема детали 20 %.

Основным переменным фактором в данном исследовании служила толщина наплавляемого слоя: 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25 мм.

В качестве материала опытного образца использован пластик REC ABS красного цвета плотностью 1,05 г/см3 с температурой размягчения 103 °С, вязкостью по Изоду 25 кДж/м2 [5].

Для определения действительной погрешности размеров использовался штангенциркуль ЭНКОР 0-150/0,01 с ценой деления 0,01 мм.

Анализ результатов эксперимента для оценки точности применяемого прибора показал, что погрешность используемого мерительного инструмента нелинейно зависит от номинала размера. Дисперсия, характеризующая погрешность измерения, находится в пределах 0,0004 мм, соответственно СКО не превышает 0,02 мм. Данные были использованы для коррекции и расчета доверительного интервала при оценке последующих измерений.

Методика измерения [6] включала в себя m измерений на различных уровнях gj по соответствующей оси для линейных размеров и в различных угловых положениях для диаметральных размеров. Методика обеспечила достаточную статистическую точность значений размеров и возможность принятия гипотезы, что в погрешность линейного размера вошли отклонения формы и расположения поверхностей относительно технологической базы, которой можно считать нижнюю плоскость тестового образца.

В результате обработки данных для каждого контролируемого размера получены среднее отклонение от номинального размера C, размах R и сме-

щение середины размаха относительно среднего отклонения А. Отметим, что размеры 3Б-модели, выполненные в ПО РОЖЕЯЗИЛРЕ, предусматривали симметричное отклонение по допускам построения.

I I

1 Ц

s si 4 L 1

л:

в)

тнв) Ф7Ш

б)

г)

Рис. 2. Эскиз опытного образца: а - охватываемые размеры (индекс И); б - охватывающие размеры (индекс И); в - прочие размеры (индекс/); г - фотография образца

На рис. 3 представлена схема определения положения поля распределения размеров, в табл. 1 приведены значения вышеперечисленных параметров для размера 2,5 (/2) (рис. 2). Экспериментальные данные позволяют опреде-

лить вероятное положение и размер поля допуска, в которые укладывается размах погрешностей контролируемого размера без учета закона рассеяния. Была принята гипотеза, что поле допуска соответствует размаху случайной величины с доверительным интервалом, равным погрешности измерения.

Рис. 3. Схема определения положения поля допуска

Таблица 1

Значения параметров поля допуска для размера 2,5

Высота слоя h, мм Размах R, мм Среднее отклонение C, мм Смещение Д, мм

0,05 0,15716 -0,04567 0,01525

0,10 0,07416 -0,00067 -0,01125

0,15 0,13675 0,00100 0,02837

0,20 0,11619 0,00100 0,00809

0,25 0,12649 -0,00400 0,00825

Знак в значениях табл. 1 определялся следующим образом: если С > 0, то линия среднего отклонения находилась выше линии номинального размера; если А > 0, то середина размаха находилась выше линии среднего отклонения.

На рис. 4 в качестве примера отображения полученных данных изображены положения полей допусков, перекрывающих отклонения размеров, приведенных в табл. 1.

У/л V//

/ / / / 7777 ///, ^77/

8?

а) б) в) г) д)

Рис. 4. Поля допусков для реальных отклонений размера 2,5 (/2) на изделии при различных значениях толщины печатного слоя: а - 0,05 мм; б - 0,10 мм; в - 0,15 мм; г - 0,20 мм; д - 0,25 мм

2. Результаты исследования

На основе полученных экспериментальных данных были построены графики изменения параметров погрешности для групп линейных охватываемых, диаметральных охватываемых, линейных охватывающих, диаметральных охватывающих и остальных размеров соответственно, изображенные на рис. 5-9.

Рис. 5. Изменение величины и смещения размаха размеров для линейных охватываемых размеров

Рис. 6. Изменение величины и смещения размаха диаметральных охватываемых размеров

По горизонтальной оси расположены контролируемые размеры из соответствующей группы, по вертикальной - величины средних отклонений действительных размеров от номинальных С, также изображено расположение поля допуска относительно номинального размера и величина размаха Я.

Рис. 7. Изменение величины и смещения размаха линейных охватывающих размеров

Рис. 8. Изменение величины и смещения размаха диаметральных охватывающих размеров

Рис. 9. Изменение величины и смещения размаха остальных размеров

Заключение

В результате проведенных исследований можно сделать несколько выводов. Для исследованной области не выявлено четкой зависимости между толщиной наплавляемого слоя и точностью размера. Однако толщина слоя существенно влияет на расположение предполагаемого поля рассеяния отно-

сительно номинала. Практически для всех размеров, за исключением линейных охватываемых, смещение идет в сторону уменьшения размера. Таким образом, при попытках изготовления сборочных единиц из деталей, полученных по рассматриваемой технологии, необходимо существенно корректировать расположение полей допусков на сопрягаемые размеры при проектировании 3Б-моделей. Влияние номинальной величины размера на точность можно признать несущественным, что позволяет сделать вывод о достаточно малой составляющей погрешности, зависящей от повторного позиционирования рабочих органов принтера и высокой доли погрешности, обусловленной процессом полимеризации материала. Таким образом, имеются предпосылки для принципиальной возможности получения работоспособных сборочных единиц путем повышения точности изготовления деталей сборочных единиц методом FDM. Одним из важнейших направлений совершенствования рассмотренной технологии можно считать получение эмпирических зависимостей для конкретного оборудования, материала, размерной группы, типа размеров.

Таким образом, назрела необходимость выработки методики управления размерной точностью изделий при 3Б-печати, раскрывающей принципы назначения режимов изготовления и корректирующих поправок на номинальный размер в зависимости от требуемой точности размеров детали.

Библиографический список

1. Кудашов, Н. С. Исследование работы и области применения 3Б-принтера / Н. С. Кудашов, И. В. Соболева // Юный ученый. - 2017. - № 2-2 (1l). -С. 58-61. - URL: http://yun.moluch.ru/archive/11/829/ (дата обращения: 25.02.2018).

2. Моделирование методом послойного наплавления // Интернет-портал 3DToday. -URL: http://3dtoday.ru/wiki/FDM_print/ (дата обращения: 16.03.2018).

3. ГОСТ 25346-89. Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений. - Москва, 1989. - 23 с.

4. PICASO 3D. - URL: http://picaso-3d.com/ru/ (дата обращения: 16.03.2018).

5. Российская экструзионная компания. - URL: https://rec3d.ru (дата обращения: 16.03.2018).

6. ГОСТ Р 50779.52-95. Статистические методы. Приемочный контроль качества по альтернативному признаку. - Москва, 1995. - 229 с.

References

1. Kudashov N. S., Soboleva I. V. Yunyy uchenyy [Young scientist]. 2017, no. 2-2 (11), pp. 58-61. Available at: http://yun.moluch.ru/archive/11/829/ (accessed Febr. 25, 2018). [In Russian]

2. Internet-portal 3DToday. Available at: http://3dtoday.ru/wiki/FDM_print/ (accessed Mar. 16, 2018). [In Russian]

3. GOST 25346-89. Osnovnye normy vzaimozamenyaemosti. Edinaya sistema dopuskov i posadok. Obshchie polozheniya, ryady dopuskov i osnovnykh otkloneniy [Basic standards of interchangeability. Unified system of tolerances and landings. General provisions, ranges of tolerances and major deviations]. Moscow, 1989, 23 p. [In Russian]

4. PICASO 3D. Available at: http://picaso-3d.com/ru/ (accessed Mar. 16, 2018).

5. Rossiyskaya ekstruzionnaya kompaniya [Russian extrusion company]. Available at: https://rec3d.ru (accessed Mar. 16, 2018). [In Russian]

6. GOST R 50779.52-95. Statisticheskie metody. Priemochnyy kontrol' kachestva po al'ternativnomu priznaku [State standart R 50779.52-95. Statistical methods. Acceptance quality control on an alternative basis]. Moscow, 1995, 229 p. [In Russian]

Зверовщиков Александр Евгеньевич доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой технологии машиностроения, Пензенский государственный университет

E-mail: azwer@mail.ru

Шелахаев Дмитрий Александрович

студент, Пензенский государственный университет

E-mail: shelahaev@yandex.ru

Нестеров Сергей Александрович

кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет

E-mail: nesterovs@list.ru

Zverovshchikov Aleksandr Evgen'evich Doctor of engineering sciences, associate professor, head of the sub-department of mechanical engineering technology, Penza State University

Shelakhaev Dmitriy Aleksandrovich

Student, Penza State University

Nesterov Sergey Aleksandrovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of mechanical engineering technology, Penza State University

Образец цитирования:

Зверовщиков, А. Е. Исследование точности размеров, обеспечиваемых технологией 3Б-печати / А. Е. Зверовщиков, Д. А. Шелахаев, С. А. Нестеров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2019. - № 1 (49). - С. 66-78. - БОТ 10.21685/2072-3059-2019-1-6.