В статье рассмотрены перспективы применения технологии послойной трехмерной печати полимерами, пригодной для промышленного производства деталей и агрегатов, изготавливаемых на данный момент преимущественно из металлов. Наиболее подходящим по свойствам полимером для этих целей является полиамид-имид, имеющий высокие конструкционные свойства. Использование его, скажем, в автоиндустрии, известно давно.
Ключевые слова: наносистемы, наночастицы, полиамид-имид, торлон, полиэфирэфиркетон, послойная трехмерная печать
Keywords: nanosystems, nanoparticles, polyamide-imide PAI, torlon,PEEK, three-dimensional layer-by-layer printing
Общие сведения
То, что полиамид-имид, наиболее прочный полиамид и полимер, может быть заменителем металла в некоторых сферах промышленного производства, известно давно [1].
В наше время все более широкое распространение получают аддитивные технологии и трехмерная печать в частности. Существует различные виды трехмерной печати, в том числе и из металла методом спекания порошка, однако наиболее распространенной и дешевой является послойная печать. Соединение этого метода печати и полиамид-имида позволит создать эффективную технологию, имеющей преимущества по прочностным характеристикам получаемого изделия и позволяющая производить направленное армирование и модифицирование наночастицами для улучшения термомеханических свойств. Это позволит применять данную технологию в широких областях производства и лабораторного практикума, позволит изменить метод производства многих деталей и агрегатов, изготовляемых сейчас из металлов. Например, возможна будет печать, скажем, редуктора сразу со всеми деталями в сборе (в. т.ч. подвижными), исключающая последующий процесс сборки. Замена металлов приведет к значительному снижению веса агрегатов, в т. ч. в транспортных машинах.
На данный момент из полиамид-имида изготавливают детали преимущественно методом литья с последующей механической обработкой, существуют метод трехмерной печати из него методом спекания порошка. При этом затруднено его армирование волокном и модификация наноматериалами.
Полиамид-имид обладает определенными отличительными характеристиками полиамида и полиимида. Владея прекрасной термической и химической стойкостью, полиамид-имид имеет высокую механическую прочность и теплоемкость, обладает технологичностью переработки.
Уникальность полиамид-имида объясняется невысоким коэффициентом теплового расширения, плохой ползучести, отменными свойствами скольжения, износостойкости. Перечисленные свойства полиамид-имида можно дополнить отличной устойчивостью к возгоранию, высокими температурными показателями при работе на воздухе. Другие отличительные характеристики полиамид-имида — эффективное противодействие к рентгеновскому излучению, солнечным лучам. Материал обладает маленьким коэффициентом растяжения, низким уровнем возгорания. Установленная максимальная температура для работы до 275 градусов, но в исключительных ситуациях, экстренных режимах может работать при более высоких показателях температур с ограничением во времени. Полимерный материал имеет повышенную ударную вязкость [2].
Широкая область использования инженерного пластика полиамид-имида в машиностроении, химической промышленности, газовой промышленности при изготовлении полупроводников и техники для тестирования, в электротехнике и космонавтике, автомобилестроении. Из данного полимера производят огромное количество деталей: втулки, уплотнительные кольца, электроизоляционные детали, шестерни, детали, при функционировании подвергающиеся трению либо скольжению, лопасти, полимер используется для изготовления деталей компрессоров приводных нагнетателей, упорных полуколец подшипников трансмиссии и коленвала, тарелок клапанных пружин и многие другие элементы.
Полиамид-имид — один из самых дорогих полимеров, поэтому как правило, во многих случаях заменяется на аналоги. Основным аналогом полиамид-имида является полиэфирэфиркетон [3]. Полиэфирэфиркетон, так же как и полиамид-имид, применяется в сферах, где необходимы улучшенные свойства устойчивости к высоким температурам или устойчивость к химически агрессивной среде, также используется при сильных радиоактивных излучениях и электрических нагрузках. Его применение стало традиционным в аэрокосмической, химической и ядерных областях. Благодаря своей универсальности в использовании полиэфирэфиркетон часто применяется в производстве оборудования с высокотехнологичной составляющей механизмов в разных областях промышленности. К таким областям можно отнести автомобильную, нефтяную, химическую, фармацевтическую, газовую, и военную, а так же много других сфер промышленности.
Так как свойства полиэфирэфиркетона схожи со свойствами полиамид-имида, далее вопросы технологии трехмерной печати будут рассматриваться только для последнего.
Преимущества 3D-печати полиамид-имидом перед традиционными технологиями
Рассмотрим более подробно преимущества предлагаемой технологии трехмерной печати перед традиционными методами производства.
- Технология трехмерной печати позволяет создавать изделия сложной пространственной структуры из высокопрочного термостойкого полимера. Технология, используемая сейчас и обладающая аналогичным параметром — различные виды литья. В отличие от разрабатываемой технологии требуют дорогую оснастку в виде литейных форм, тиглей, прессов и обладают большим энергопотреблением. Но по сравнению с технологией трехмерной печати имеют высокую производительность.
- Метод при производстве некоторых приборов и агрегатов позволяет создавать (печатать методом послойного наращивания) их в сборе со всеми внутренними деталями, в том числе с подвижными относительно других. Это позволяет ликвидировать последующий процесс сборки изделий. Другие методы производства данным параметром не обладают.
- Технология позволяет армировать полимер стекловолокнами, углеродными и др. волокнами, наночастицами для увеличения их предела прочности. При этом направление армирования можно задать произвольно и различным для изготавливаемой детали в зависимости от картины механического напряжения в ней. Так же армирование применяется при литье полимеров под давлением, однако обеспечивать различное заданное направление волокон в сложной детали затруднено. Качество такого армирования уступает армированию, произведенному при трехмерной печати, так как требуется пространственное закрепление волокна в форме перед заливкой полимера, что труднодостижимо, особенно в геометрически сложной детали.
- В связи с тем, что при использовании трехмерной печати отсутствуют отходы материалов, это благоприятно сказывается на экономичности и экологичности производства. Если рассматривать основной аналог трехмерной печати — литье, то при нем требуются большие энергозатраты на плавку всего материала одновременно, что вызывает потери энергии, при литье образуются технологические элементы детали, которые являются отходами или идут на переплавку. Повышенное энергопотребление снижает экологичность и экономичность производства.
Проблемы 3D-печати полиамид-имидом
Полиимиды представляют собой обширное семейство материалов, сильно отличающихся по своим свойствам — от труднообрабатываемых реактопластов до инженерных пластиков с термопластическими свойствами обычных инженерных пластиков (термопластов) [4].
Полиамид-имид, пожалуй, является наиболее сложным материалом с точки зрения термопластичности, который в этом отношении мало отличается от реактопластов [5]. Температура стеклования данного материала (от 260°С) очень близка к его верхней границе рабочей температуры. Так, для полиамид-имида марки «Torlon» компании «Quadrant» максимальная рабочая температура составляет 250°С.
Так как температурные параметры полиамид-имидов плохо отражены в литературе, было решено определить их опытным путем для полимера марки «Арамидил» фирмы «Westinghouse» (табл. 1). Нагрев производился в цилиндрической обечайке в муфельной печи. Температура разложения определялась по интенсивному газообразованию (пузырению) материала и потери им массы.
Таблица 1
|
№п.п. |
Параметр |
Значение |
|
1 |
Максимальная температура с сохранением основных свойств |
240°С |
|
2 |
Температура текучести |
от 325°С |
|
3 |
Температура термической деструкции и разложения |
от 350°С |
Как видно из таблицы, разность между температурой начала термической деструкции и разложения рассматриваемого полимера составляет 25°С. Несмотря на столь малую разность, она подтверждает возможность использования полиамид-имида при послойной трехмерной печати.
Выводы
В заключении отметим технические задачи, предъявляемые к трехмерному принтеру для печати полиамид-имидом или полиэфирэфиркетоном.
В первую очередь, эти требования относятся к температурным характеристикам головки принтера и его рабочего стола. Высокая температура текучести рассматриваемых полимеров накладывает требования по стойкости к ней материалов головки, хорошей теплоизоляции нагревательных элементов от механизмов подачи полимерной проволоки и их более интенсивного охлаждения. Зона нагрева должна быть оснащена чувствительным температурным датчиком, позволяющим наряду с системой регулирования и контроля нагревателя поддерживать постоянство температуры, находящейся между температурой деструкции и температурой текучести полимера.
Для создания необходимого для отверждения и препятствия при этом деформации детали градиента температуры в рабочей области принтера накладывается некоторые требования к нагревательному элементу, материалу стола и системы контроля температуры.
В-целом, перечисленные задачи успешно решаемы на современном этапе развития техники.
Литература:
- Санников В. А вместо сердца пластмассовый мотор: пластиковый двигатель // Популярная механика. — 2010. — № 87.
- PAI (Полиамид-имид) // Высокотехнологичные инженерные пластики и изделия из них. URL: http://apc-group.ru/plastiki/pai-poliamid-imid-t-260s.html (дата обращения: 11.12.2016).
- Полимер полиэфирэфиркетон — уникальный материал химической промышленности // Полимер-инфо. URL: http://polimerinfo.com/kompozitnye-materialy/poliefirefirketon.html (дата обращения: 12.12.2016).
- Тугов И. И., Кострыкина Г. И. Химия и физика полимеров. — М.: Химия, 1989. — 430 с.
- Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений: Справочник: В 2 т. Т. 2./Под ред. А А. Герасименко.—М.: Машиностроение, 1987. — 784 с, ил.
