Анализ пластмасс при их выборе для 3D печати модели ветроэнергетической установки

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены существующие виды пластика для 3D печати, приведены и проанализированы их физико-механические свойства и подобран оптимальный пластик для изготовления деталей ветроэнергетической установки.

Статья включает такие виды пластика, как АБС-пластик, PLA-пластик и PETG-пластик.

В ходе проведенный работы было выявлено, что оптимальным материалом является PETG-пластик.

ABSTRACT

The article examines the existing types of plastic for 3D printing, presents and analyzes their physical and mechanical properties, and selects the optimal plastic for the manufacture of parts of a wind power plant.

This article includes plastics such as ABS, PLA and PETG.

In the course of the work carried out, it was revealed that the optimal material is PETG plastic.

Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, 3D печать, АБС, PLA, PETG, пластик.

Keywords: wind power plant, 3D printing, ABS, PLA, PETG, plastic.

С целью увеличения мощности ветроэнергетической установки (ВЭУ) предлагается конструкция ВЭУ со сдвоенным приводом. Однако на текущий момент времени практически отсутствуют более или менее научно обоснованные конструкции таких приводов. Требуется создание действующей модели ВЭУ со сдвоенным приводом, на основе которой должны быть выполнены экспериментальные исследования зависимости развиваемых приводом момента, частоты вращения и мощности от конструктивных параметров привода. Изготовление деталей модели на металлорежущих станках из металлических материалов является весьма трудоёмким и металлоёмким процессом. Наиболее целесообразно изготовление деталей модели на 3D-принтере из полиматериалов. С этой целью необходимо правильно выбрать исходный пластиковый материал.

Пластик является основным материалом для 3D печати. Он легко плавится (при температуре 200-250°C), и быстро затвердевает, что позволяет наносить его слоями поверх друг друга, образуя таким образом объемные тела. Так работает 3D принтер.

В настоящей статье мы рассмотрим, какие существуют виды пластика для 3D печати, проанализируем их характеристики и выберем наиболее подходящий пластик для модели ветроэнергетической установки, которая впоследствии будет участвовать в эксперименте с аэродинамической трубой.

АБС-пластик (ABS, акрилонитрил бутадиен стирол) - ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (название пластика образовано из начальных букв наименований мономеров). Пропорции могут варьироваться в пределах: 15—35 % акрилонитрила, 5—30 % бутадиена и 40—60% стирола [6].

Свойства АБС-пластика [6]:

- непрозрачный материал желтоватого оттенка. Окрашивается в различные цвета;

- нетоксичность в нормальных условиях;

- долговечность в отсутствии прямых солнечных лучей и ультрафиолета;

- стойкость к щелочам и моющим средствам;

- влагостойкость;

- маслостойкость;

- кислотостойкость;

- теплостойкость 103 °C (до 113 °C у модифицированных марок);

- широкий диапазон эксплуатационных температур (от −40 °C до +90 °C);

- растворяется в сложных эфирах, кетонах, 1,2-дихлорэтане, ацетоне, этилацетате.

Физико-механические свойства АБС-пластика приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Физико-механические свойства АБС-пластика

Полилактид (ПЛА, PLA) — биоразлагаемый, биосовместимый, термопластичный, алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Сырьем для производства служат ежегодно возобновляемые ресурсы, такие как кукуруза и сахарный тростник. Используется для производства изделий с коротким сроком службы (пищевая упаковка, одноразовая посуда, пакеты, различная тара), а также в медицине, для производства хирургических нитей и штифтов (обычно данный материал проходит специальную медицинскую сертификацию) [7].

Свойства PLA-пластика [3]:

- нетоксичен;

- широкая цветовая палитра;

- при печати нет необходимости в нагретой платформе;

- размеры стабильны;

- идеален для движущихся частей и механических моделей;

- отличное скольжение деталей;

- экономия энергозатрат из-за низкой температуры размягчения нити;

- нет необходимости применять каптон для смазывания поверхности для наращивания прототипа;

- гладкость поверхности напечатанного изделия;

- получение более детальных и полностью готовых к применению объектов.

Физическо-механические свойства PLA-пластика приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Физическо-механические свойства PLA-пластика

Полиэтилентерефталатгликоль (ПЭТГ) (по международному обозначению PET-G) представляет собой модификацию полиэтилентерефталата (ПЭТ или ПЭТФ), которая преодолевает его определённые недостатки [8].

Недостатком ПЭТ является то, что он становится непрозрачным при медленном охлаждении из-за частичной кристаллизации. Для тонких деталей это предотвращается быстрым охлаждением (например, в ПЭТ-бутылках, которые должны оставаться прозрачными). Если необходимо отвести тепло из крупных или толстостенных изделий, то прозрачность не может быть обеспечена. Замена части этиленгликоля (1,2-этандиола) диметанолом циклогексаном в качестве диола в производстве этого эфира приводит к значительным стерическим помехам (из-за конфигурации циклогексана). Пластик получил название ПЭТГ, потому что модифицированный гликоль имеет гораздо более низкую температуру плавления и остаётся прозрачным при любых операциях, что быть очевидным преимуществом при термоформовании деталей из плёнки/листа ПЭТГ [8].

Свойства PETG-пластика [8]:

- прозрачный аморфный материал. Температура стеклования около 80 - 85 °С;

- имеет высокую жесткость и твердость;

- стоек к разбавленным кислотам и щелочам, растворам солей, мылам, маслам, спиртам, алифатическим углеводородам;

- хорошо стерилизуется;

- легко перерабатывается.

Физико-механические свойства PETG-пластика приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Физико-механические свойства PETG-пластика

Основными требованиями для материалов, из которых изготавливается модель для испытаний в аэродинамической трубе, являются прочность материала, относительное удлинение, твердость (так как в модели используются зубчатые передачи) и, собственно, усадка материала, так как при большой усадке теряется точность при изготовлении деталей.

Сравнивая данные параметры, можно прийти к следующим выводам. По прочности наибольший показатель имеет PETG-пластик (60 - 66 МПа против 57,8 МПа у PLA-пластика и 35-50 МПа у АБС-пластика). По относительному удлинению наилучший показатель также имеет PETG-пластик (1.02 - 1.18% против 3,8% PLA-пластика и 10-25% у АБС-пластика). По твердости наибольший показатель у PLA-пластика (127-187 МПа против 141-156 МПа у PETG-пластика и 90-150 МПа у АБС-пластика). По усадке лучший показатель у PETG-пластика (0,2 - 0,6% против 0,4-0,7% у АБС-пластика и 0,8% у PLA-пластика).

Принимая во внимание вышеописанное, можно сделать вывод, что по большинству показателей наилучшим пластиком для изготовления на 3D принтере модели ветроэнергетической установки, подходящей для испытания в аэродинамической трубе, является PETG-пластик.

Список литературы:

1. ABS/PLA пластики // ADDITIVE TECHNOLOGY GROUP (ATG) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://atg3d.ru/services/3d/abs_pla (дата обращения: 10.03.21).
2. PETG пластик для 3D принтера // Вольтик.ру – все для макетов ваших идей / [Электронный ресурс]. Дата обновления: 10.06.2019. – Режим доступа: URL: https://voltiq.ru/petg-plastic-for-3d-printing/ (дата обращения: 10.03.21).
3. PLA-пластик для 3D-печати // 3Dtoday / [Электронный ресурс]. 2013-2021. – Режим доступа: URL: https://3dtoday.ru/wiki/PLA_plastic/ (дата обращения: 10.03.21).
4. Описание и марки полимеров – АБС-пластик // Журнал «Полимерные материалы» / [Электронный ресурс]. 2008-2021. – Режим доступа: URL: http://www.polymerbranch.com/catalogp/view/8.html&viewinfo=2 (дата обращения: 10.03.21).
5. Описание и марки полимеров – АБС-пластик // Журнал «Полимерные материалы» / [Электронный ресурс]. 2008-2021. – Режим доступа: URL: http://www.polymerbranch.com/catalogp/view/8/160.html#:~:text=На%20основе%20АБС-пластика%2C%20производятся,композиции%2C%20относящиеся%20к%20специальным%20полимерам.&text=Ударная%20вязкость%20по%20Изоду%3A%20не,разрыве%3A%20не%20менее%2017%20%25. (дата обращения: 10.03.21).
6. Цит. по: АБС-пластик // Википедия – свободная энциклопедия / [Электронный ресурс]. Дата обновления: 31.01.2021. – Режим доступа: URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/АБС-пластик (дата обращения: 10.03.21).
7. Цит. по: Полилактид // Википедия – свободная энциклопедия / [Электронный ресурс]. Дата обновления: 17.01.2021. – Режим доступа: URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Полилактид (дата обращения: 10.03.21).
8. Цит. по: Полиэтилентерефталат-гликоль (ПЭТГ) — пластик // Википедия – свободная энциклопедия / [Электронный ресурс]. Дата обновления: 15.02.2021. – Режим доступа: URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Полиэтилентерефталат-гликоль_(ПЭТГ)_—_пластик (дата обращения: 10.03.21).