Исследование процесса быстрой 3D-печати углепластиковых деталей машин с использованием лазерного нагрева

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование. Непрерывные пластики, армированные углеродным волокном (CFRP), широко применяются в машиностроении, но традиционные методы их производства, такие как автоматическая укладка волокон (AFP) и автоматическая укладка ленты (ATL), отличаются высокой стоимостью и сложностью. Аддитивное производство, или 3D-печать, предлагает альтернативный подход, позволяя быстро изготавливать детали без использования пресс-форм. Однако скорость 3D-печати CFRP ограничена, что снижает её эффективность.

Цель работы — оценка возможности повышения скорости 3D-печати CFRP деталей, используя лазерный нагрев для оптимизации процесса плавления материала.

Методы. В исследовании использовалась 3D-печать CFRP с использованием лазера для нагрева материала, что позволило увеличить скорость печати до 30 мм/с. Исследовалось влияние различных параметров лазерного излучения, таких как мощность и скорость сканирования, на качество и механические свойства напечатанных образцов CFRP. Для анализа микроструктуры использовался электронный микроскоп.

Результаты. Эксперименты показали, что увеличение мощности лазера и скорости печати повышает прочность напечатанных изделий. Это обусловлено улучшением межслойных связей за счёт более равномерного расплавления материала. Однако избыточная мощность лазера приводит к перегреву и разложению полимерной матрицы, снижая прочность и долговечность изделий.

Заключение. Результаты исследования показывают, что лазерный нагрев позволяет значительно увеличить скорость 3D-печати CFRP, сохраняя высокое качество и прочность деталей. Оптимальный выбор параметров лазерного излучения является ключевым фактором для достижения максимальной производительности и качества 3D-печати деталей, изготовленных из CFRP.

Об авторах

Мария Юрьевна Карелина

Государственный университет управления; Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

Email: karelinamu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0335-7550
SPIN-код: 1852-1782

д-р техн. наук, д-р пед. наук, профессор, проректор

Россия, Москва; Москва

Денис Александрович Юдин

Государственный университет управления; Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: Denis.yudin.qaz@gmail.com
ORCID iD: 0009-0006-5702-980X
SPIN-код: 6022-9170

аспирант, специалист Лаборатории реверсивного инжиниринга

Россия, Москва; Москва

Алексей Вячеславович Терентьев

Государственный университет управления; Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

Email: aleksej.terentev.67@bk.ru
ORCID iD: 0000-0003-3500-2201
SPIN-код: 6676-4524

д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры «Детали машин и теория механизмов»

Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Lopatin YuA. Application of 3D printing by the FDM method in the repair of machines and equipment. Tekhnicheskiy servis mashin. 2019;3(136):40–45. (In Russ.) EDN: RXQGXG
  2. Romanov PS, Yankovskiy DV. Rapid prototyping and 3D printing in mechanical engineering. Kompleksnye problemy razvitiya nauki, obrazovaniya i ekonomiki regiona. 2014;2(5):85–89. (In Russ.) EDN: TLAPLX
  3. Aldoshin NV, Golubev VV, Vasil’ev AS, et al. Prospects for the use of plastic parts of agricultural machinery. AgroEkoInzheneriya. 2023;3(116):20–34. doi: 10.24412/2713-2641-2023-3116-20-33 (In Russ.) EDN: IFEBHA
  4. Akhmedova ShA. Traditional and additive technologies in the production of machine parts. Universum: tekhnicheskie nauki. 2021;11-1(92):34–37. (In Russ.) EDN: RINBTY
  5. Nefelov IS, Baurov NI. Technological features of manufacturing parts with threaded surfaces using 3D printing methods for operation in various climatic conditions. Remont. Vosstanovlenie. Modernizatsiya. 2024;4:28–32. doi: 10.31044/1684-2561-2024-0-4-28-32 (In Russ.) EDN: NIVEJQ
  6. Nefelov IS. Investigation of the influence of fillers on the strength characteristics of filament for 3D printing. Interstroymekh-2022: Materials of the XXVI International Scientific and Technical Conference, Yaroslavl, October 12–14, 2022. Yaroslavl: Yaroslavl State Technical University; 2022:315–319. (In Russ.) EDN: IKWVQF.
  7. Laisha AK, Bushmanov DV, Pyanzin AM. Study of the influence of printing speed on the quality and accuracy of products manufactured using FDM 3D printing technology. Tendentsii razvitiya nauki i obrazovaniya. 2024;105-13:219–223. doi: 10.18411/trnio-01-2024-678 (In Russ.) EDN: HCUGUQ
  8. Andryushkin, AY, Butsikin, EB, Li, C. Influence of the 3D printing speed of an additive installation using FDM technology on the accuracy of the product. Aerocosmicheskaya tekhnika i tekhnologii. 2023;1(2):118–129. (In Russ.) EDN: BHWMKT
  9. Zlenko MA, Nagaĭtsev MV, Dovbyush VM. Additivnye tekhnologii v mashinostroenii: Posobie dlya inzhenerov. Moscow: Tsentral‘nyĭ ordena Trudovogo Krasnogo Znameni nauchno-issledovatel‘skiĭ avtomobil‘nyĭ i avtomotornyĭ institut „NAMI“; 2015:220. (In Russ.) EDN: VYHRMD
  10. Panichev SA, Fonov PS. Study of the quality of filling the product in 3-D printing at different printing speeds. Nauka nastoyashchego i budushchego. 2018;1:303–304. (In Russ.) EDN: YATQPB

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Быстрая лазерная 3D-печать: a — принцип печати: 1 — подающий инструмент; 2 — быстрый нагрев; 3 — карбоновое волокно; 4 — горячий ролик; 5 — платформа; 6 — объектив; 7 — лазер; 8 — направляющая; b — процесс печати.

Скачать (229KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Эксперимент по оценке мощности лазера: а — изменение температуры углепластика, облученного лазером мощностью 1,6 Вт со скоростью печати 10 мм/с: перечень слов: 1 — мощность лазера 1,6 Вт; 2 — скорость печати 10 мм/с; 3 — температура, К; 4 — положение измерения, мм; 5 — длина, мм; 6 — время = 2,00 с; 7 — время = 0,5 с; 8 — время=1,00 с; 9 — время=0,5 с; b — имитация температуры в месте измерения: 1 — мощность лазера / скорость печати; 2 — время, с; 3 — температура, °c; c — экспериментальный процесс: перечень слов: 1 — лазер; 2 — измерение длины: 20 мм; 3 — положение измерения; d — фактическая температура в месте измерения: перечень слов: 1 — мощность лазера / скорость печати; 2 — время, с; 3 — температура, °c.

Скачать (445KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Испытание механических свойств: а — размер и траектория образца; b — принцип испытания.

Скачать (181KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».