RU2676989C1 - Method for forming products by three-dimensional layer printing with exposure of microwave electromagnetic field and ultrasound - Google Patents
Method for forming products by three-dimensional layer printing with exposure of microwave electromagnetic field and ultrasound Download PDFInfo
- Publication number
- RU2676989C1 RU2676989C1 RU2017142071A RU2017142071A RU2676989C1 RU 2676989 C1 RU2676989 C1 RU 2676989C1 RU 2017142071 A RU2017142071 A RU 2017142071A RU 2017142071 A RU2017142071 A RU 2017142071A RU 2676989 C1 RU2676989 C1 RU 2676989C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- product
- layer
- electromagnetic field
- frequency
- microwave
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/10—Processes of additive manufacturing
- B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
- B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
- B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
Abstract
Description
Изобретение относится к аддитивным FDM технологиям изготовления конструкционных элементов сложной геометрической формы, а именно к трехмерной печати с использованием термопластичной диэлектрической нити, дозировано подаваемой из экструдера на подложку, и может быть использовано в прототипировании, при изготовлении деталей, выполняющих несущие функции, для технологических и транспортных машин, в частности - летательных аппаратов, к прочности и выносливости которых предъявляются повышенные требования.The invention relates to additive FDM technologies for the manufacture of structural elements of complex geometric shapes, namely to three-dimensional printing using a thermoplastic dielectric filament, dosed from an extruder onto a substrate, and can be used in prototyping, in the manufacture of parts that perform load-bearing functions, for technological and transport machines, in particular - aircraft, for the strength and endurance of which increased demands are made.
Известен управляемый компьютером способ для производства трехмерных объектов (патент US 5260009 А от 09.11.1993 г.), в соответствии с которым по программе наносят на подложку в расплавленном состоянии первый слой основного материала, после отверждения которого наносят слой другого материала для защиты первого, затем удаляют второй материал с нужный участков, на которые вновь наносят очередной слой первого материала. При этом второй материал является растворимым или имеет температуру плавления ниже, чем первый.Known computer-controlled method for the production of three-dimensional objects (patent US 5260009 A from 09.11.1993), in accordance with which the program is applied to the substrate in the molten state, the first layer of the base material, after curing of which is applied a layer of another material to protect the first, then remove the second material from the desired areas, on which the next layer of the first material is again applied. In this case, the second material is soluble or has a melting point lower than the first.
Недостатком способа является неоднородность структуры и физико-механических свойств в объеме изделия за счет их различия внутри каждого слоя и на межслойных границах, а также применения нескольких материалов, обладающих различными характеристиками. Затвердевание изделия происходит при охлаждении за счет естественной теплопередачи в окружающую среду, при этом тепловые потоки имеют различную интенсивность, что определяется сложной формой изделия и различной плотностью структуры. Изложенное определяет невысокую прочность изделия и анизотропию физико-механических свойств.The disadvantage of this method is the heterogeneity of the structure and physico-mechanical properties in the volume of the product due to their differences within each layer and at the interlayer boundaries, as well as the use of several materials with different characteristics. The solidification of the product occurs during cooling due to natural heat transfer to the environment, while the heat fluxes have different intensities, which is determined by the complex shape of the product and different density of the structure. The above determines the low strength of the product and the anisotropy of physical and mechanical properties.
Известен также способ изготовления трехмерных объектов с нависающими частями (патент US 5503785 А от 02.04.1996 г.), согласно которому для изготовления нависающих над основанием элементов трехмерного изделия дополнительно формируют отдельную трехмерную структуру поддержки из другого материала, имеющего слабую связь с первым материалом и основой. В качестве структурного материала в способе применяют термопластичную смолу, а в качестве материала поддержки - воднорастворимый полимер. В качестве наносимых материалов в соответствии с данным способом применяют также силикон, воск.There is also known a method of manufacturing three-dimensional objects with overhanging parts (patent US 5503785 A dated 04/02/1996), according to which, for the manufacture of overhanging elements of a three-dimensional product overhanging the base, a separate three-dimensional support structure is additionally formed from another material having weak connection with the first material and the base . A thermoplastic resin is used as a structural material in the method, and a water-soluble polymer is used as a support material. Silicone and wax are also used as applied materials in accordance with this method.
Недостатком способа является неоднородность структуры и физико-механических свойств в объеме изделия за счет их различия внутри каждого слоя и на межслойных границах, а также применения нескольких материалов, обладающих различными характеристиками. Затвердевание изделия происходит при охлаждении за счет естественной теплопередачи в окружающую среду, при этом тепловые потоки имеют различную интенсивность, что определяется сложной формой изделия и различной плотностью структуры. Сформированное изделие не обладает вследствие указанных причин достаточной механической прочностью и выносливостью при пиковых нагрузках, поэтому данный способ может применяться только для изготовления моделей, а не реальных деталей, работающих в технических системах.The disadvantage of this method is the heterogeneity of the structure and physico-mechanical properties in the volume of the product due to their differences within each layer and at the interlayer boundaries, as well as the use of several materials with different characteristics. The solidification of the product occurs during cooling due to natural heat transfer to the environment, while the heat fluxes have different intensities, which is determined by the complex shape of the product and different density of the structure. For these reasons, the formed product does not have sufficient mechanical strength and endurance at peak loads, therefore, this method can only be used for manufacturing models, and not for real parts working in technical systems.
Известны устройство и способ изготовления трехмерного изделия (патент на изобретение US 5121329 А от 09.06.1992 г.), согласно которому создают трехмерное компьютерное изображение проектируемого изделия и разделяют его на слои, формируют управляющие запрограммированные сигналы, согласно которым осуществляют нагрев формирующего изделие материала и дозированную его подачу на основание, перемещая печатающую головку в соответствии с конфигурацией слоя, после затвердевания слоя относительно основания смещают головку на расстояние 0,002 дюйма (0,05 мм) и наносят следующий слой, многократно повторяя процесс пока не будет сформировано все изделие. При этом основание выполняют из токопроводящего материала и после завершения формирования изделия включают подачу тока для нагрева основания с целью облегчения отделения от него готового изделия. Для ускорения процесса затвердевания слоев материала в печатающей головке ему сообщают ультразвуковые колебания, что повышает текучесть и позволяет подавать материал на основание при пониженной температуре.A known device and method for manufacturing a three-dimensional product (patent US 5121329 A dated 06/09/1992), according to which a three-dimensional computer image of the designed product is created and divided into layers, control programmed signals are generated, according to which the material forming the product and the dosed are heated feeding it to the base by moving the print head according to the configuration of the layer, after the layer has solidified, move the head to a distance of 0.002 inches (0.05 mm) relative to the base the next layer is applied repeatedly repeating the process until all of the product formed. In this case, the base is made of conductive material, and after completion of the formation of the product, the current is supplied to heat the base in order to facilitate separation of the finished product from it. To speed up the process of hardening of the layers of material in the print head, ultrasonic vibrations are given to it, which increases fluidity and allows the material to be fed to the substrate at a low temperature.
Недостатками способа является неравномерность тепловых полей в изделии при его формировании, что определяется технологией нанесения очередного слоя на застывший предыдущий. Этим вызывается неоднородность структуры и физико-механических свойств в объеме изделия за счет различия свойств внутри каждого слоя и на межслойных границах. Это приводит к более высокой когезионной прочности внутри слоя, чем адгезионной между слоями. Вследствие того, что каждый слой формируется из линейных проходов печатающей головки виде валиков расплавленного и затвердевающего материала, каждый последующий валик также формируется рядом с уже застывшим, что понижает адгезионную прочность и в плоскости каждого слоя в направлении, перпендикулярном ориентации валиков. Применение ультразвука при выдавливании расплавленного материала из печатающей головки может привести к кавитационным процессам и образованию несплошностей (разрывов, пузырьков) в капле, что вызовет макро- и микропоры в образовавшемся слое материала и снизит его прочностные характеристики в отдельных зонах.The disadvantages of the method is the unevenness of the thermal fields in the product during its formation, which is determined by the technology of applying the next layer to the frozen previous one. This causes heterogeneity of the structure and physico-mechanical properties in the volume of the product due to differences in properties within each layer and at the interlayer boundaries. This leads to a higher cohesive strength within the layer than the adhesive between the layers. Due to the fact that each layer is formed from linear passages of the print head in the form of rollers of molten and hardened material, each subsequent roller is also formed next to the already solidified, which reduces the adhesive strength in the plane of each layer in the direction perpendicular to the orientation of the rollers. The use of ultrasound when extruding molten material from the print head can lead to cavitation processes and the formation of discontinuities (tears, bubbles) in the drop, which will cause macro- and micropores in the resulting material layer and reduce its strength characteristics in individual zones.
В результате трехмерное изделие характеризуется значительной анизотропией свойств по осям координат и пониженной прочностью на растяжение-сжатие и межслойный сдвиг (срез). Это ограничивает применение способа в процессах изготовления изделий для основных технических объектов и позволяет его использовать для производства прототипов и моделей.As a result, a three-dimensional product is characterized by significant anisotropy of properties along the coordinate axes and reduced tensile-compressive strength and interlayer shear (shear). This limits the application of the method in the manufacturing processes of products for basic technical objects and allows it to be used for the production of prototypes and models.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ микроволновой обработки объекта, сформированного на основе аддитивных технологий (патент WO 2014197086 А1 от 11.12.2014 г.), согласно которому объект формируют из множества соединяемых друг с другом в вертикальном направлении слоев с одновременным созданием структур поддержки на внешней стороне объекта. При этом сформированный объект имеет существенно изотропический предел прочности. После завершения формирования и затвердевания объект помещают в область воздействия СВЧ электромагнитного поля с одновременным приложением давления, в результате чего объект нагревается, а его объем сокращается при увеличении плотности приблизительно на 5%. В СВЧ камере объект располагают в микроволново-прозрачном пористом керамическом контейнере, а частоту электромагнитного поля устанавливают равной 915 МГц или 2,45 ГГц.The closest analogue to the claimed invention is a method of microwave processing of an object formed on the basis of additive technologies (patent WO 2014197086 A1 dated 12/12/2014), according to which the object is formed from a plurality of layers connected to each other in the vertical direction while creating support structures on the outside of the object. Moreover, the formed object has a substantially isotropic tensile strength. After completion of the formation and solidification, the object is placed in the area of influence of the microwave electromagnetic field with the simultaneous application of pressure, as a result of which the object heats up, and its volume decreases with an increase in density by approximately 5%. In the microwave camera, the object is placed in a microwave-transparent porous ceramic container, and the frequency of the electromagnetic field is set to 915 MHz or 2.45 GHz.
Недостатками способа являются следующие. Технология изготовления изделия по способу-прототипу включает нанесение очередного слоя на застывший предыдущий. Вследствие того, что каждый слой формируется из линейных проходов печатающей головки виде валиков расплавленного и затвердевающего материала, каждый последующий валик также формируется рядом с уже застывшим, что понижает адгезионную прочность в плоскости каждого слоя в направлении, перпендикулярном ориентации валиков. В результате прочность материала внутри каждого слоя и на межслойных границах различна: когезионная прочность внутри слоя выше, чем адгезионная между слоями. В результате трехмерное изделие характеризуется значительной анизотропией свойств по осям координат и пониженной прочностью на растяжение-сжатие и межслойный сдвиг (срез).The disadvantages of the method are as follows. The manufacturing technology of the product according to the prototype method includes applying the next layer to the frozen previous one. Due to the fact that each layer is formed from linear passages of the print head in the form of rollers of molten and hardened material, each subsequent roller is also formed next to the already solidified, which reduces the adhesive strength in the plane of each layer in the direction perpendicular to the orientation of the rollers. As a result, the strength of the material inside each layer and at the interlayer boundaries is different: the cohesive strength inside the layer is higher than the adhesive between the layers. As a result, a three-dimensional product is characterized by significant anisotropy of properties along the coordinate axes and reduced tensile-compressive strength and interlayer shear (shear).
Примененная в способе-прототипе СВЧ обработка термопластичных материалов вызывает увеличение межмолекулярных связей и повышение прочности изделия. Однако, при СВЧ обработке сформированного изделия глубина проникновения электромагнитной волны в вещество определяется длиной волны излучения, относительной диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь наносимого материала. Этот параметр определяет равномерность воздействия излучения по толщине слоя материала, поскольку под глубиной проникновения понимают расстояние, на котором поглощенная мощность излучения снижается в е раз. Следовательно, чем короче электромагнитная волна (выше частота), тем меньше будет глубина проникновения, и воздействие электромагнитной волны на изделие приведет к неоднородности свойств и, в частности, к снижению прочности материала. Вследствие применения в способе-прототипе двух значений частот: 915 и 2,45 ГГц (2450 МГц) размеры изделия ограничиваются глубиной проникновения волны на данных частотах. При изготовления изделий большей толщины равномерность воздействия СВЧ электромагнитного поля уменьшится и, как следствие, проявится неоднородность физико-механических свойств и распределение прочностных характеристик по объему изделия. Из-за различия диэлектрических характеристик у разных материалов толщина изделий, формируемых по данному способу, не может быть стабильной, т.е. невозможно получить изделие одной толщины из разных материалов. Изложенное ограничивает область применения способа. Также практическая значимость способа снижается вследствие отсутствия указаний на другие важные технологические режимы: удельную мощность СВЧ электромагнитного поля и время воздействия. Применение воздействия повышенным давлением на изделие при СВЧ обработке для повышения его плотности применимо только к объектам простой формы типа пластин, брусков и не может использоваться для сложных конструкций, что снижает основное преимущество аддитивных технологий, состоящее в программируемом формировании изделий практически любой по сложности формы.The microwave treatment of thermoplastic materials used in the prototype method causes an increase in intermolecular bonds and an increase in the strength of the product. However, during microwave processing of the formed product, the depth of penetration of an electromagnetic wave into a substance is determined by the radiation wavelength, relative permittivity and dielectric loss tangent. This parameter determines the uniformity of radiation exposure across the thickness of the material layer, since the penetration depth refers to the distance at which the absorbed radiation power decreases e times. Therefore, the shorter the electromagnetic wave (higher frequency), the smaller the penetration depth will be, and the effect of the electromagnetic wave on the product will lead to heterogeneity of properties and, in particular, to a decrease in the strength of the material. Due to the use of two frequency values in the prototype method: 915 and 2.45 GHz (2450 MHz), the dimensions of the product are limited by the penetration depth of the wave at these frequencies. In the manufacture of products of greater thickness, the uniformity of exposure to the microwave electromagnetic field will decrease and, as a result, the heterogeneity of physical and mechanical properties and the distribution of strength characteristics over the volume of the product will appear. Due to the difference in dielectric characteristics of different materials, the thickness of the products formed by this method cannot be stable, i.e. it is impossible to get a product of the same thickness from different materials. The above limits the scope of the method. Also, the practical significance of the method is reduced due to the absence of indications of other important technological modes: the specific power of the microwave electromagnetic field and the exposure time. The application of the effect of increased pressure on the product during microwave processing to increase its density is applicable only to objects of a simple form such as plates, bars and cannot be used for complex structures, which reduces the main advantage of additive technologies, which consists in the programmed formation of products of almost any shape complexity.
Таким образом, изделия, подвергаемые согласно способу-прототипу обработке в СВЧ электромагнитном поле после формирования путем трехмерной печати, не имеют значительных преимуществ перед изделиями, полученными по традиционным схемам FDM технологии. Возможное повышение прочности будет обеспечиваться в относительно узком диапазоне размеров изготавливаемых объектов и не будет существенным вследствие отсутствия взаимосвязи технологических режимов со свойствами материалов и размерами изделий.Thus, products subjected to processing in a microwave electromagnetic field according to the prototype method after being formed by three-dimensional printing, do not have significant advantages over products obtained according to traditional FDM technology schemes. A possible increase in strength will be provided in a relatively narrow range of sizes of manufactured objects and will not be significant due to the lack of interconnection of technological modes with the properties of materials and product dimensions.
В результате изделие будет иметь пониженную по сравнению с исходным материалом прочность на изгиб, растяжение-сжатие и межслойный сдвиг (срез). Это ограничивает применение способа в процессах изготовления основных технических объектов.As a result, the product will have lower bending strength, tensile compression, and interlayer shear (shear) compared with the starting material. This limits the application of the method in the manufacturing processes of the main technical objects.
Техническая проблема настоящего изобретения состоит в необходимости создания способа формирования изделия путем трехмерной послойной печати с воздействием СВЧ электромагнитного поля и ультразвука, позволяющего повысить его прочностные характеристики при увеличении времени функционирования при пиковых (предельных) нагрузках.The technical problem of the present invention is the need to create a method of forming the product by three-dimensional layer printing with the influence of microwave electromagnetic field and ultrasound, which allows to increase its strength characteristics with an increase in operating time at peak (ultimate) loads.
Поставленная проблема решается тем, что в способе микроволновой обработки объекта, сформированного на основе аддитивных технологий, при котором для изготовления очередного слоя термопластичный материал нагревают в печатающей головке до полужидкого состояния и выдавливают в виде нити через сопло с отверстием малого диаметра, осаждая на поверхности рабочего стола (для первого слоя) или на предыдущем слое, а головку перемещают в горизонтальной плоскости в соответствии с заданным контуром слоя и плотностью заполнения внутреннего пространства, одновременно формируют поддерживающие основной объект структуры, после чего производят относительное вертикальное перемещение стола и головки на толщину слоя, и процесс повторяют до тех пор, пока изделие не будет построено полностью, а после завершения формирования изделия его помещают вместе с поддерживающими структурами в СВЧ электромагнитное поле, СВЧ электромагнитным полем воздействуют на каждый слой при его нанесении с частотой 2450 МГц и с удельной мощностью 30-32 Вт/см3, а после окончания формирования изделия удельную мощность снижают до уровня, не приводящего к разогреву используемого материала, и выдерживают изделие в течение 2-3 минут.This problem is solved by the fact that in the method of microwave processing of an object formed on the basis of additive technologies, in which to produce the next layer the thermoplastic material is heated in the print head to a semi-liquid state and squeezed out as a filament through a nozzle with a small diameter hole, deposited on the surface of the working table (for the first layer) or on the previous layer, and the head is moved in the horizontal plane in accordance with the specified outline of the layer and the density of the inner space At the same time, they form structures supporting the main object, after which relative vertical movement of the table and head is made by the layer thickness, and the process is repeated until the product is completely built, and after completion of the formation of the product, it is placed together with the supporting structures in the microwave electromagnetic field, microwave electromagnetic field act on each layer when it is applied with a frequency of 2450 MHz and with a specific power of 30-32 W / cm 3 , and after the end of the formation of the product specific power they are reduced to a level that does not lead to heating of the material used, and the product is held for 2-3 minutes.
При формировании очередного слоя источник СВЧ электромагнитного поля перемещают в вертикальном направлении синхронно с перемещением стола или печатающей головки.When forming the next layer, the microwave source of the electromagnetic field is moved in the vertical direction synchronously with the movement of the table or print head.
Частоту СВЧ электромагнитного поля при воздействии на окончательно сформированное изделие выбирают из условия:The microwave frequency of the electromagnetic field when exposed to a finally formed product is selected from the conditions:
где ƒ - частота электромагнитной волны, Гц; S - толщина сформированного трехмерного объекта, принимаемая равной глубине проникновения электромагнитной волны Δ, м; ρ - плотность сформированного объекта, Н/м3.where ƒ is the frequency of the electromagnetic wave, Hz; S is the thickness of the formed three-dimensional object, taken equal to the depth of penetration of the electromagnetic wave Δ, m; ρ is the density of the formed object, N / m 3 .
Одновременно с СВЧ электромагнитным полем на окончательно сформированное изделие воздействуют механическими колебаниями ультразвуковой частоты, при этом ультразвуковую энергию подводят со стороны, противоположной вводу энергии СВЧ электромагнитного поля, а частоту ультразвукового воздействия выбирают в зависимости от толщины изделия по зависимости:Simultaneously with the microwave electromagnetic field, the final formed product is exposed to mechanical vibrations of the ultrasonic frequency, while the ultrasonic energy is supplied from the side opposite to the input of the microwave energy of the electromagnetic field, and the frequency of the ultrasonic action is selected depending on the thickness of the product according to:
где ƒУЗ - частота ультразвуковых колебаний, Гц; С - скорость звука в материале изделия, м/с; k - эмпирический коэффициент, учитывающий несплошность сформированного материала изделия; Δ - толщина изделия, равная глубине проникновения электромагнитной волны, м.where ƒ ultrasound - the frequency of ultrasonic vibrations, Hz; C is the speed of sound in the material of the product, m / s; k is an empirical coefficient that takes into account the discontinuity of the formed product material; Δ is the thickness of the product equal to the penetration depth of the electromagnetic wave, m
При этом амплитуду ультразвуковых колебаний, передаваемых изделию, выбирают из условия:In this case, the amplitude of the ultrasonic vibrations transmitted to the product is selected from the condition:
где С - коэффициент, зависящий от физико-механических свойств материала изделия; А - амплитуда ультразвуковых колебаний, м; F - площадь контактной поверхности изделия, м2; σК - когезионная прочность слоев сформированного изделия, Н/м2.where C is a coefficient depending on the physicomechanical properties of the material of the product; A is the amplitude of ultrasonic vibrations, m; F is the contact surface area of the product, m 2 ; σ K - cohesive strength of the layers of the formed product, N / m 2 .
Технический результат заявляемого решения заключается в подборе оптимальных режимов воздействия СВЧ электромагнитного поля на изделие произвольных размеров на стадиях формирования слоев из различных материалов и в качестве завершающей операции с одновременным воздействием ультразвука, что позволяет повысить однородность структуры трехмерного изделия, увеличить количество межмолекулярных связей между отдельными агломератами, рядами агломератов и слоями. Глубина проникновения СВЧ электромагнитной волны в любой из известных аддитивных материалов на несколько порядков превышает толщину единичного слоя, составляющую обычно в аддитивных FDM технологиях 0,05-0,1 мм. Вследствие этого СВЧ воздействие на каждый слой при его нанесении будет практически равномерным по всей толщине. Для финишной обработки готового изделия выбирается частота воздействия, определяемая толщиной изделия, которая не вызывает существенного снижения поглощенной СВЧ мощности, и свойствами материала. При этом формирование в изделии ультразвуковой стоячей волны с пучностью интенсивности в области, противолежащей плоскости падения СВЧ электромагнитной волны, создает колебания элементов структуры, способствующие повышению эффективности СВЧ воздействия в зонах, где поглощенная мощность снижается в соответствии с зависимостью для глубины проникновения. Поскольку ультразвук воздействует на уже сформированный застывший материал, кавитация и акустические течения в нем отсутствуют, и несплошностей в слоях не образуется. В результате совместного воздействия ультразвуковой и СВЧ энергии формируется относительно изотропная структура изделия с повышенной когезионной и адгезионной прочностью, элементы которой получили повышенную эластичность под действием ультразвука. Поэтому при воздействии циклической нагрузки или ее возрастании до предельных значений повышается время сохранения изделием целостности до начала разрушения, а сам этот процесс оказывается более длительным. Это дает возможность оператору технического объекта принять верное решение в критической ситуации (покинуть объект или принять меры к его сохранению).The technical result of the proposed solution is to select the optimal modes of exposure of a microwave electromagnetic field to a product of arbitrary sizes at the stages of formation of layers of various materials and as a final operation with simultaneous exposure to ultrasound, which allows to increase the uniformity of the structure of a three-dimensional product, to increase the number of intermolecular bonds between individual agglomerates, rows of agglomerates and layers. The penetration depth of a microwave electromagnetic wave in any of the known additive materials is several orders of magnitude greater than the thickness of a single layer, which is usually 0.05-0.1 mm in additive FDM technologies. As a result of this, the microwave effect on each layer during its application will be almost uniform throughout the thickness. For finish processing of the finished product, the frequency of exposure, determined by the thickness of the product, which does not cause a significant decrease in the absorbed microwave power, and the properties of the material, is selected. At the same time, the formation of an ultrasonic standing wave in the product with an antinode of intensity in the area opposite the plane of incidence of the microwave electromagnetic wave creates vibrations of structural elements that increase the efficiency of microwave exposure in areas where the absorbed power decreases in accordance with the dependence for the penetration depth. Since ultrasound acts on the already formed hardened material, cavitation and acoustic flows are absent in it, and discontinuities in the layers are not formed. As a result of the combined action of ultrasonic and microwave energy, a relatively isotropic structure of the product with increased cohesive and adhesive strength is formed, the elements of which have received increased elasticity under the influence of ultrasound. Therefore, under the influence of a cyclic load or its increase to limiting values, the time of maintaining the product integrity before the destruction begins increases, and this process itself is longer. This enables the operator of the technical facility to make the right decision in a critical situation (to leave the facility or take measures to preserve it).
Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - Схема осуществления способа; фиг. 2 - Микрофотографии (×400) поверхности излома образцов из термопласта ABS, полученных путем 3D печати с последующей СВЧ обработкой при удельной мощности 4-5 Вт/см3 (а), 17-18 Вт/см3 (б, в), контрольный образец (г); фиг. 3 - Внешний вид поверхности среза образцов из термопласта ABS, слева контрольные образцы, справа - срезанные после СВЧ воздействия с удельной мощностью 17-18 Вт/см3; фиг. 4 - Влияние СВЧ обработки на предельные внутренние напряжения в образце при срезе вдоль и поперек волокон(а), изгибе (б) и модуль упругости при продольном сжатии (в); фиг. 5 - Влияние СВЧ обработки на изменение времени сохранения целостности под нагрузкой при срезе (а), изгибе (б) и при продольном сжатии (в), СВЧмин - 4-5 Вт/см3, СВЧсред - 17-18 Вт/см3, СВЧмакс - 30-32 Вт/см3.The invention is illustrated by drawings: FIG. 1 - Scheme of the method; FIG. 2 - Microphotographs (× 400) of the fracture surface of samples of ABS thermoplastic obtained by 3D printing followed by microwave processing at a specific power of 4-5 W / cm 3 (a), 17-18 W / cm 3 (b, c), control sample (g); FIG. 3 - Appearance of the cut-off surface of samples from ABS thermoplastic, control samples on the left, and cut-off after microwave exposure with a specific power of 17-18 W / cm 3 on the right; FIG. 4 - The influence of microwave processing on the ultimate internal stresses in the sample during shear along and across the fibers (a), bending (b) and the modulus of elasticity under longitudinal compression (c); FIG. 5 - The influence of microwave processing on changing the integrity integrity time under load during shear (a), bending (b) and longitudinal compression (c), microwave min - 4-5 W / cm 3 , microwave medium - 17-18 W / cm 3 , Microwave frequency - 30-32 W / cm 3 .
Способ осуществляют следующим образом. Схема послойного формирования изделия представлена на Фиг. 1а, схема окончательной обработки готового изделия - на Фиг. 1б. Для изготовления очередного слоя термопластичный материал нагревают в печатающей головке до полужидкого состояния и выдавливают в виде нити через сопло с отверстием малого диаметра, осаждая на поверхности рабочего стола (для первого слоя) или на предыдущем слое, а головку перемещают в горизонтальной плоскости в соответствии с заданным контуром слоя и плотностью заполнения внутреннего пространства, одновременно формируют поддерживающие основной объект структуры, после чего производят относительное вертикальное перемещение стола и головки на толщину слоя, и процесс повторяют до тех пор, пока изделие не будет построено полностью, а после завершения формирования изделия его помещают вместе с поддерживающими структурами в СВЧ электромагнитное поле. Для реализации способа необходима модернизация существующих 3D принтеров, осуществляющих технологию FDM, путем установки в рабочей зоне магнетрона (1) с рупором СВЧ волновода (2), перемещающегося в горизонтальной плоскости синхронно с печатающей головкой, и источника питания (3). Выполняют чертеж изделия в формате 3D, например, в программной среде KOMPAS, переводят чертеж в твердотельную модель формата STL и разбивают на слои. Затем загружают модель в программное устройство принтера. Осуществляют печать первого слоя (4) на подложке (5) расплавляемой в экструдере печатающей головки (6) нитью (7) из пластика ABS, REC FLEX, REC PLA, REC HIPS или другого материала с аналогичными теплофизическими характеристиками стандартной толщиной 1,75 или 2,85 мм. При этом осуществляют воздействие на формируемый не затвердевший слой СВЧ электромагнитным полем частотой 2450±5% МГц с удельной мощностью 17-18 Вт/см3, обеспечивающей нагрев слоя до 40-80°С. Далее формируют последующие слои (8). В процессе формирования слоев при необходимости выполняют образование поддерживающих структур, на которые СВЧ электромагнитным полем не воздействуют. Готовое изделие (9) подвергают воздействию СВЧ электромагнитного поля в технологической камере (10) при удельной мощности также не более 17-18 Вт/см3 с частотой, обеспечивающей глубину проникновения на всю толщину с одновременным воздействием ультразвука, частота которого выбрана такой, что от верхней до нижней поверхности готового изделия укладывается четверть длины волны ультразвуковых колебаний в используемом материале. Волновод ультразвукового излучателя (11) при этом подсоединяют к изделию со стороны, обратной вводу СВЧ энергии.The method is as follows. The layered formation scheme of the product is shown in FIG. 1a, the final processing diagram of the finished product is shown in FIG. 1b. To produce the next layer, the thermoplastic material is heated in the print head to a semi-liquid state and squeezed out as a thread through a nozzle with a small diameter hole, deposited on the surface of the working table (for the first layer) or on the previous layer, and the head is moved in the horizontal plane in accordance with the specified the contour of the layer and the density of filling of the internal space, at the same time form the structures supporting the main object, after which the relative vertical movement of the table and g dexterous in the layer thickness, and the process is repeated as long as the product remains fully constructed, and after completion of the product, it is placed together with supporting structures in the microwave electromagnetic field. To implement the method, it is necessary to modernize existing 3D printers implementing FDM technology by installing a magnetron (1) with a horn of a microwave waveguide (2) moving in a horizontal plane synchronously with the print head and a power source (3) in the working area. A product drawing is performed in 3D format, for example, in the KOMPAS software environment, the drawing is converted to a solid-state model of the STL format and divided into layers. Then load the model into the printer software device. The first layer (4) is printed on the substrate (5) of the print head melted in the extruder (6) with a thread (7) made of ABS plastic, REC FLEX, REC PLA, REC HIPS or other material with similar thermophysical characteristics with a standard thickness of 1.75 or 2 , 85 mm. In this case, they influence the formed unhardened microwave layer by an electromagnetic field with a frequency of 2450 ± 5% MHz with a specific power of 17-18 W / cm 3 , which ensures heating of the layer to 40-80 ° C. Next, subsequent layers are formed (8). In the process of forming the layers, if necessary, the formation of supporting structures is performed, which are not affected by the microwave electromagnetic field. The finished product (9) is exposed to a microwave electromagnetic field in the process chamber (10) at a specific power also of not more than 17-18 W / cm 3 with a frequency that ensures penetration depth over the entire thickness with simultaneous exposure to ultrasound, the frequency of which is chosen such that a quarter to a wavelength of ultrasonic vibrations in the material used fits into the upper to lower surface of the finished product. The waveguide of the ultrasonic emitter (11) is then connected to the product from the side opposite to the input of microwave energy.
Пример реализации способа. В экспериментах использовали 3D принтер модели Felix 3.1 Single Extruder для печати нитью с точностью 0,05 мм, отличающийся открытой рабочей зоной, что позволяет реализовывать воздействие на материал СВЧ электромагнитным и ультразвуковым полем, и специальную СВЧ - технологическую установку с регулируемой частотой излучения. Использовали нить из пластика ABS толщиной 1,75 мм. Печатали образцы в виде стержней диаметром и длиной соответственно 5 и 70 мм, толщина каждого слоя составляла 0,1 мм, что примерно в 50 раз меньше глубины проникновения СВЧ электромагнитной волны в материал ABS. В процессе нанесения слоев в рабочую зону вводили рупор СВЧ-волновода. С целью выявления рационального диапазона мощности воздействия СВЧ электромагнитного поля применяли три режима СВЧ мощности: низкий - 100 Вт, средний 400 Вт и высокий 800 Вт.Для обеспечения нормальной работы магнетрона и недопущения перегрева образцов в рабочую зону вне области печати помещали балластную емкость с водой объемом 50 мл. В результате обеспечивалась следующая удельная мощность СВЧ воздействия: 4-5; 17-18 и 30-32 Вт/см3. Обработку осуществляли в течение всего периода формирования слоя. Одновременно обрабатывали по 3 образца. Готовый образец помещали СВЧ технологической установки и осуществляли обработку при удельной мощности 17-18 Вт/см3, при этом образец закрепляли в волноводе ультразвукового излучателя, генерирующего колебания частотой 44 кГц и амплитудой 1-10 мкм. Для питания излучателя использовали специальный генератор с программируемой с ноутбука частотой выходного напряжения в диапазоне 20-60 кГц и мощностью 100-500 Вт. Волновод для предотвращения аварийной ситуации при воздействии СВЧ электромагнитного поля выполняли из оргстекла. Обработку осуществляли в течение 0,5-4 минут.An example implementation of the method. In the experiments, we used a 3D printer model Felix 3.1 Single Extruder for printing with filament with an accuracy of 0.05 mm, characterized by an open working area, which allows you to realize the effect of a microwave material on an electromagnetic and ultrasonic field, and a special microwave technological unit with an adjustable radiation frequency. A thread of 1.75 mm thick ABS plastic was used. The samples were printed in the form of rods with a diameter and a length of 5 and 70 mm, respectively, the thickness of each layer was 0.1 mm, which is approximately 50 times less than the depth of penetration of the microwave electromagnetic wave into the ABS material. During the deposition of layers, a horn of a microwave waveguide was introduced into the working zone. In order to identify a rational range of the power of the microwave electromagnetic field, three microwave power modes were used: low - 100 W, medium 400 W and high 800 W. To ensure normal operation of the magnetron and to prevent overheating of the samples, a ballast tank with water of volume was placed outside the print area 50 ml As a result, the following specific power of microwave exposure was provided: 4-5; 17-18 and 30-32 W / cm 3 . Processing was carried out during the entire period of formation of the layer. 3 samples were simultaneously treated. The finished sample was placed in a microwave installation and processing was carried out at a specific power of 17-18 W / cm 3 , while the sample was fixed in the waveguide of an ultrasonic emitter, generating oscillations with a frequency of 44 kHz and an amplitude of 1-10 μm. To power the emitter, we used a special generator with a programmable frequency of the output voltage from a laptop in the range of 20-60 kHz and a power of 100-500 watts. The waveguide to prevent an emergency when exposed to a microwave electromagnetic field was made of plexiglass. Processing was carried out for 0.5-4 minutes.
Затем исследовали прочность полученных образцов, которую оценивали по напряжениям изгиба, среза и модулю упругости при продольном сжатии. Для определения указанных характеристик применяли машину испытательную универсальную модели ИР 5082-100 с выводом показаний на компьютер и их автоматической обработкой. Время до разрушения образцов оценивали по промежутку между моментом окончания нарастания нагрузки и моментом начала ее падения, определяемым по графику нагружения и отсчитываемому по текущей шкале времени процесса в микросекундах.Then, the strength of the obtained samples was examined, which was evaluated by the bending, shear stresses and elastic modulus under longitudinal compression. To determine these characteristics, we used a universal test machine model IR 5082-100 with the output of readings to a computer and their automatic processing. The time to failure of the samples was estimated by the interval between the moment of the end of the growth of the load and the moment of the beginning of its decline, determined by the load schedule and counted on the current process time scale in microseconds.
В результате экспериментов были получены следующие результаты. На Фиг. 2 а-г представлены микрофотографии структуры единичного слоя материала, нанесенного печатающей головкой на подложку при различной удельной СВЧ мощности. Видно, что структура контрольного образца (Фиг. 2г) характеризуется значительной неоднородностью: наряду с единичными каплями, формирующими слой, присутствуют объемные пустоты (поры). Такая несплошность материала приводит к малому числу узлов контакта и малой когезионной прочности, хаотическое распределение точек контакта агломератов вызывает неравномерность прочностных характеристик по осям координат (анизотропию). Структура слоя, сформированного при СВЧ воздействии с малой удельной мощностью (Фиг. 2а) сохраняет значительную несплошность, хотя размеры пор существенно меньше, а отдельные частицы деформированы в большей степени, что увеличивает количество контактных точек. При СВЧ воздействии средней удельной мощности отдельные частицы скомплексированы в сплавленные агломераты, количество пор мало (Фиг. 2б) или формируется практически монолитный слой связанных между собой агломератов (Фиг. 2в), что является целесообразным с точки зрения обеспечения повышенной прочности изделия. Данный вывод подтверждается фотографией результатов испытания контрольного и обработанного при удельной СВЧ мощности 17-18 Вт/см3 образцов на срез (Фиг. 3). СВЧ воздействие способствует повышению прочности элементов ячеистой структуры напечатанного образца. Стержень сохранил форму, все ячейки не деформированы, срез «чистый». Контрольные образцы явно деформированы, заметны даже расслоения. Ячеистая структура смята, ячейки практически не сохранились. Это свидетельствует о повышенной пластичности и малой прочности контрольного образца, что подтверждает влияние неоднородной рыхлой микроструктурой с явными несплошностями Фиг. 2г. Подведение к образцу удельной СВЧ мощности, превышающей указанное выше значение, нецелесообразно по причине чрезмерного повышения температуры, что вызывает деформацию слоев вследствие внутренних термических напряжений при их печати и не позволяет обеспечить требуемую точность формы и размеров изделия.As a result of the experiments, the following results were obtained. In FIG. 2 a-d show microphotographs of the structure of a single layer of material deposited by the print head on a substrate at different specific microwave powers. It is seen that the structure of the control sample (Fig. 2d) is characterized by significant heterogeneity: along with single drops forming the layer, there are bulk voids (pores). Such a discontinuity of the material leads to a small number of contact nodes and low cohesive strength, the chaotic distribution of the contact points of the agglomerates causes a non-uniformity of the strength characteristics along the coordinate axes (anisotropy). The structure of the layer formed by microwave exposure with a low specific power (Fig. 2a) retains significant discontinuity, although the pore size is much smaller and individual particles are deformed to a greater extent, which increases the number of contact points. Under microwave exposure to average specific power, individual particles are complexed into fused agglomerates, the number of pores is small (Fig. 2b), or an almost monolithic layer of interconnected agglomerates is formed (Fig. 2c), which is advisable from the point of view of providing increased product strength. This conclusion is confirmed by a photograph of the test results of the control and processed at a specific microwave power of 17-18 W / cm 3 samples per section (Fig. 3). Microwave exposure increases the strength of the cellular structure of the printed sample. The core retained its shape, all cells were not deformed, the cut was “clean”. Control samples are clearly deformed, even delamination is noticeable. The cellular structure is wrinkled, the cells are practically not preserved. This indicates increased ductility and low strength of the control sample, which confirms the influence of a heterogeneous loose microstructure with obvious discontinuities. FIG. 2g Bringing the specific microwave power to the sample in excess of the above value is impractical due to an excessive temperature increase, which causes deformation of the layers due to internal thermal stresses during their printing and does not allow to provide the required accuracy of the shape and size of the product.
На Фиг. 4 а-в и 5 а-в представлены зависимости средних значений внутренних напряжений, модуля упругости в готовом изделии и увеличения времени сохранения его целостности под нагрузкой от удельной мощности СВЧ электромагнитного поля. В данных экспериментах выбранная частота, равная 2450 МГц, соответствовала глубине проникновения для материала ABS, равной 4,9 мм, что примерно соответствует толщине образца в 5 мм.In FIG. 4 a-c and 5 a-c show the dependences of the average values of internal stresses, the elastic modulus in the finished product and the increase in the time of maintaining its integrity under load on the specific power of the microwave electromagnetic field. In these experiments, the selected frequency of 2450 MHz corresponded to a penetration depth for ABS material of 4.9 mm, which approximately corresponds to a sample thickness of 5 mm.
На графиках представлены зависимости, полученные при времени обработки, равном 2 минуты. При меньшем времени воздействия значения внутренних напряжений ниже: при обработке в течение 0,5 мин обработанные образцы отличаются от контрольных не более чем на 5-7%, при обработке в течение 10 мин - на 10-15%. Увеличение времени воздействия до 3 минут приводит к повышению прочностных характеристик по сравнению с полученными после 2-х минутной обработки на 10-12%, а при времени обработки, равном 4 мин значения остаются неизменными, или несколько ниже. Таким образом, оптимальным временем обработки готового изделия может считаться 2-3 минуты.The graphs show the dependences obtained at a processing time of 2 minutes. With a shorter exposure time, the values of internal stresses are lower: during processing for 0.5 min, the treated samples differ from the control by no more than 5-7%, during processing for 10 minutes - by 10-15%. Increasing the exposure time to 3 minutes leads to an increase in strength characteristics compared with those obtained after 2 minutes of processing by 10-12%, and with a treatment time of 4 minutes, the values remain unchanged, or slightly lower. Thus, the optimal processing time of the finished product can be considered 2-3 minutes.
Анализ графиков позволяет сделать вывод, что СВЧ воздействие на полностью сформированное изделие обеспечивает повышение предельного напряжения при срезе на 36-70%) и увеличивает время до разрушения при предельной нагрузке до 2-3 раз. Изгибная прочность возрастает в 2-4 раза, время до разрушения - в 1,5-2,5 раза. Продольная устойчивость практически не изменяется, время до разрушения увеличивается на 20-70% в зависимости от интенсивности СВЧ воздействия. При этом наибольший эффект достигается при удельной мощности 17-18 Вт/см3, не приводящей к разогреву изделия, но обеспечивающий значимую модификацию микроструктуры с формированием дополнительных связей между слоями нанесенного материала.Analysis of the graphs allows us to conclude that the microwave effect on a fully formed product provides an increase in ultimate stress at shear by 36-70%) and increases the time to failure at ultimate load up to 2-3 times. Bending strength increases by 2-4 times, the time to failure - by 1.5-2.5 times. Longitudinal stability practically does not change, the time to failure increases by 20-70% depending on the intensity of the microwave exposure. The greatest effect is achieved with a specific power of 17-18 W / cm 3 , which does not lead to heating of the product, but provides a significant modification of the microstructure with the formation of additional bonds between the layers of the deposited material.
При изучении влияния глубины проникновения на прочность компоновали из трех образцов один путем плотного соединения по образующей. Таким образом получалась конструкция толщиной 15 мм, что соответствовало практически трем глубинам проникновения. После СВЧ обработки при удельной мощности 17-18 Вт/см3 образцы разъединяли и испытывали на срез. В результате предельные напряжения среза в верхнем образце остались на том же уровне, как при испытаниях отдельно обработанных образцов (увеличение составило 60-70%). Напряжения в среднем образце увеличились по сравнению с контрольным на 50-60%, в нижнем - только на 15-20%). Это свидетельствует о неравномерности СВЧ воздействия при нарушении соотношения частоты электромагнитного поля и толщины изделия, определяемого глубиной проникновения.When studying the influence of penetration depth on strength, they were composed of three samples, one by tight connection along the generatrix. Thus, a structure with a thickness of 15 mm was obtained, which corresponded to almost three penetration depths. After microwave processing at a specific power of 17-18 W / cm 3, the samples were disconnected and tested for shear. As a result, the ultimate shear stresses in the upper sample remained at the same level as when testing separately processed samples (an increase of 60-70%). Stresses in the average sample increased by 50-60% compared with the control, in the lower - only by 15-20%). This indicates the unevenness of the microwave exposure in violation of the ratio of the frequency of the electromagnetic field and the thickness of the product, determined by the penetration depth.
Из электродинамики СВЧ обработки диэлектрических материалов известно, глубина проникновения электромагнитной волны в материал, при которой поглощенная мощность снижается не более, чем в е раз, определяется соотношением:From the electrodynamics of microwave processing of dielectric materials, it is known that the depth of penetration of an electromagnetic wave into a material at which the absorbed power decreases no more than e times is determined by the ratio:
где ƒ - частота электромагнитной волны, Гц; λ - длина электромагнитной волны в материале, м; Δ - глубина проникновения, м; ε' - относительная диэлектрическая проницаемость материала; δ - угол диэлектрических потерь.where ƒ is the frequency of the electromagnetic wave, Hz; λ is the length of the electromagnetic wave in the material, m; Δ is the penetration depth, m; ε 'is the relative dielectric constant of the material; δ is the dielectric loss angle.
Методом двух толщин для полимерных материалов, используемых в аддитивных технологиях, определены экспериментальные зависимости их относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от плотности:Using the two thickness method for polymeric materials used in additive technologies, the experimental dependences of their relative dielectric constant and dielectric loss tangent on density are determined:
ε'=0,025ρ1,1, tgδ=l90,16ρ-0,853,ε '= 0.025ρ 1.1 , tanδ = l90.16--0.853 ,
где ρ - плотность материала кГ/м3.where ρ is the density of the material kg / m 3 .
Подставив эти экспериментальные зависимости в выражение для глубины проникновения и заменив Δ на толщину (высоту) формируемого изделия S, получим подтверждаемую экспериментально зависимость для определения рациональной частоты СВЧ обработки изделия требуемой толщины:Substituting these experimental dependences into the expression for the penetration depth and replacing Δ with the thickness (height) of the formed product S, we obtain the experimentally confirmed dependence for determining the rational frequency of the microwave processing of the product of the required thickness:
Таким образом, частота СВЧ электромагнитного поля должна назначаться в зависимости от поперечных размеров обрабатываемого объекта.Thus, the frequency of the microwave electromagnetic field should be assigned depending on the transverse dimensions of the processed object.
При подведении к образцу, собранному из трех стержней, как отмечено выше, ультразвуковых колебаний стандартной частоты 44 кГц и с амплитудой 1-2 мкм различий в распределении напряжений среза не наблюдалось. При амплитуде 4-5 мкм увеличение напряжений в нижнем образце составило 40-50%, то есть равномерность прочности изделия с толщиной, существенно превышающей глубину проникновения СВЧ электромагнитной волны, значимо повысилась. Ультразвуковые колебания амплитудой 8-10 мкм привели к деформации поверхности образца в области контакта с излучателем, что связано со значительными давлениями, вызванными динамической силой, зависящей от амплитуды колебаний и физико-механических свойств материала, а также термическими эффектами, сопутствующими высокоинтенсивному ультразвуку и вызывающими микрооплавление термопластичных полимеров. По видимому, в этом случае давление, вызванное динамической силой ультразвуковых колебаний, равно или превышает предел прочности сформированной структуры. В связи с тем, что частота ультразвука, параметры исходного материала и площадь контактной поверхности F в нашем случае постоянны, различие в результатах определяется величиной амплитуды колебаний. Согласно эмпирической зависимости, полученной д.т.н., профессором А.И. Марковым, величина динамической силы при воздействии ультразвука равна РД=СА0,56. Соответственно, динамическое давление равно 
В предельном случае деформаций и разрушения это давление равно напряжениям, соответствующим когезионной прочности в слоях материала, т.е. рД=σк. Очевидно, с учетом изложенного выше, для недопущения разрушения материала динамическое давление должно быть меньше когезионной прочности на величину 
При сообщении ультразвуковых колебаний образцам, толщина которых составляла меньше 15 мм (8 мм), или больше 15 мм (25 мм) эффект ультразвука оказывался сниженным соответственно в 1,3 и 1,5 раза. Это связано с тем, что при принятой частоте колебаний длина ультразвуковой волны в исследованном материале составляет λ=60 мм. Таким образом, толщина образца из трех стержней, равная 15 мм, составляет 15/60=0,25 λ или 1/4 λ, четверть длины волны позволяет получить в точке контакта пучность амплитуды (или интенсивности ультразвука), убывающей по синусоидальному закону к противоположной стороне образца. Для обеспечения эффективного воздействия ультразвука длина образца должна быть кратна целому числу длин волн или целому числу долей ее длины. В нашем случае, как показано выше, толщина образца определяется глубиной проникновения СВЧ волны Δ, следовательно длина волны ультразвуковых колебаний сообщаемых образцу, должна равняться λ=4Δ. Скорость звука С в материале, частота ƒ колебаний, генерируемых излучателем, и длина волны λ связаны между собой известным соотношением акустики: C=λƒ. Однако, наибольший эффект ультразвука был отмечен при его частоте не 44 кГц (расчетная резонансная), а 38 кГц. Очевидно, это связано с несплошностью материала, сформированного из отдельных агломератов, что приводит к снижению скорости звука. Понижающий коэффициент будет равен k=38/44=0,864. Следовательно, для пластика ABS в выражение, связывающее скорость звука, частоту колебаний и длину волны, должен быть введен понижающий коэффициент 0,864.When ultrasonic vibrations were reported to samples whose thickness was less than 15 mm (8 mm) or more than 15 mm (25 mm), the ultrasound effect was reduced by 1.3 and 1.5 times, respectively. This is due to the fact that at the accepted oscillation frequency, the length of the ultrasonic wave in the studied material is λ = 60 mm. Thus, a thickness of a sample of three rods equal to 15 mm is 15/60 = 0.25 λ or 1/4 λ, a quarter of the wavelength allows one to obtain the antinode of the amplitude (or ultrasound intensity) at the contact point, which decreases according to the sinusoidal law to the opposite side of the sample. To ensure effective exposure to ultrasound, the length of the sample must be a multiple of an integer number of wavelengths or an integer number of fractions of its length. In our case, as shown above, the thickness of the sample is determined by the penetration depth of the microwave wave Δ, therefore, the wavelength of ultrasonic vibrations communicated to the sample should be λ = 4Δ. The speed of sound C in the material, the frequency ƒ of the oscillations generated by the emitter, and the wavelength λ are interconnected by a known acoustics ratio: C = λ =. However, the greatest effect of ultrasound was noted at its frequency not 38 kHz (calculated resonant), but 38 kHz. Obviously, this is due to the discontinuity of the material formed from individual agglomerates, which leads to a decrease in the speed of sound. The decreasing coefficient will be equal to k = 38/44 = 0.864. Therefore, for ABS plastic, a reduction factor of 0.864 must be introduced in the expression relating the speed of sound, the frequency of oscillations and the wavelength.
С учетом полученных экспериментальных данных в общем виде частота ультразвука для совмещенной с СВЧ воздействием обработки изделий, сформированных с использованием аддитивных технологий, может определяться по уточненному соотношению: 
Толщина меньших и больших образцов соответственно составляет: 8/60=0,133 λ и 25/60=0,417 λ. Т.е. в этих случаях в длину образца не укладывается целое число длин волн или ее частей и не формируется волна с определенным размещением пучности. В этом случае образец представляет собой присоединенную массу, колебания в котором распределены случайным образом и не могут повлиять на изменение структуры материала в нужной области.The thickness of the smaller and larger samples, respectively, is: 8/60 = 0.133 λ and 25/60 = 0.417 λ. Those. in these cases, an integer number of wavelengths or parts thereof does not fit into the length of the sample, and a wave with a certain antinode distribution is not formed. In this case, the sample is an attached mass, the vibrations of which are randomly distributed and cannot affect the change in the structure of the material in the desired region.
Таким образом, сообщение изделию ультразвуковых колебаний определенной амплитуды, зависящей от предела прочности исходного материала изделия, обеспечивает равномерную СВЧ модификацию изделий с толщиной, превышающей глубину проникновения электромагнитной волны и, соответственно - повышенную прочность материала.Thus, the communication of the product with ultrasonic vibrations of a certain amplitude, depending on the tensile strength of the source material of the product, provides a uniform microwave modification of products with a thickness exceeding the penetration depth of the electromagnetic wave and, accordingly, increased strength of the material.
Тем самым решается поставленная проблема - обоснование способа формирования изделия путем трехмерной послойной печати с воздействием СВЧ электромагнитного поля и ультразвука, позволяющего повысить его прочностные характеристики при увеличении времени функционирования при пиковых (предельных) нагрузках.Thereby, the problem is solved - the substantiation of the method of product formation by three-dimensional layer-by-layer printing with the influence of microwave electromagnetic field and ultrasound, which allows to increase its strength characteristics with an increase in operating time at peak (ultimate) loads.
Таким образом, повышается надежность изделий, получаемых на основе аддитивных FDM технологий формообразования.Thus, the reliability of products obtained on the basis of additive FDM shaping technologies is increased.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017142071A RU2676989C1 (en) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | Method for forming products by three-dimensional layer printing with exposure of microwave electromagnetic field and ultrasound |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017142071A RU2676989C1 (en) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | Method for forming products by three-dimensional layer printing with exposure of microwave electromagnetic field and ultrasound |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2676989C1 true RU2676989C1 (en) | 2019-01-14 |
Family
ID=65025367
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017142071A RU2676989C1 (en) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | Method for forming products by three-dimensional layer printing with exposure of microwave electromagnetic field and ultrasound |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2676989C1 (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109604603A (en) * | 2019-01-31 | 2019-04-12 | 石家庄铁道大学 | A kind of ultrasonic wave auxiliary laser deposition increasing material manufacturing method and device |
| CN110369825A (en) * | 2019-07-31 | 2019-10-25 | 华中科技大学 | A kind of electromagnetic ultrasound method and system of the inhibition of increasing material manufacturing molten metal hump |
| WO2020219075A1 (en) * | 2019-04-26 | 2020-10-29 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | 3d printing with focused microwave energy field |
| WO2021013750A1 (en) | 2019-07-19 | 2021-01-28 | Vito Nv | A method and system for manufacturing three-dimensional porous structure |
| RU2750426C1 (en) * | 2020-09-14 | 2021-06-28 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) | Method for strengthening 3d-printed structures |
| CN113733562A (en) * | 2021-08-23 | 2021-12-03 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 3D printing nozzle based on ultrasonic micro-forging and printing method |
| RU2768145C1 (en) * | 2021-04-28 | 2022-03-23 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) | Method for spheroidization of polystyrene powder particles using a gas discharge unit |
| CN114619666A (en) * | 2021-11-23 | 2022-06-14 | 昆明理工大学 | Method for preparing multifunctional material with isolation structure based on FDM printing technology |
| CN115338426A (en) * | 2022-07-20 | 2022-11-15 | 武汉理工大学 | Device and method for strengthening 3D printing workpiece |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5503785A (en) * | 1994-06-02 | 1996-04-02 | Stratasys, Inc. | Process of support removal for fused deposition modeling |
| RU2469851C2 (en) * | 2007-05-25 | 2012-12-20 | Эос Гмбх Электро Оптикал Системз | Method of producing 3d structure layer-by-layer |
| WO2014197086A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-12-11 | 3D Systems, Inc. | Microwave post-processing for additive manufacturing |
| WO2015019212A1 (en) * | 2013-08-09 | 2015-02-12 | Kimberly-Clark Worldwide, Inc. | Polymeric material for three-dimensional printing |
-
2017
- 2017-12-01 RU RU2017142071A patent/RU2676989C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5503785A (en) * | 1994-06-02 | 1996-04-02 | Stratasys, Inc. | Process of support removal for fused deposition modeling |
| RU2469851C2 (en) * | 2007-05-25 | 2012-12-20 | Эос Гмбх Электро Оптикал Системз | Method of producing 3d structure layer-by-layer |
| WO2014197086A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-12-11 | 3D Systems, Inc. | Microwave post-processing for additive manufacturing |
| WO2015019212A1 (en) * | 2013-08-09 | 2015-02-12 | Kimberly-Clark Worldwide, Inc. | Polymeric material for three-dimensional printing |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109604603A (en) * | 2019-01-31 | 2019-04-12 | 石家庄铁道大学 | A kind of ultrasonic wave auxiliary laser deposition increasing material manufacturing method and device |
| WO2020219075A1 (en) * | 2019-04-26 | 2020-10-29 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | 3d printing with focused microwave energy field |
| WO2021013750A1 (en) | 2019-07-19 | 2021-01-28 | Vito Nv | A method and system for manufacturing three-dimensional porous structure |
| CN110369825A (en) * | 2019-07-31 | 2019-10-25 | 华中科技大学 | A kind of electromagnetic ultrasound method and system of the inhibition of increasing material manufacturing molten metal hump |
| RU2750426C1 (en) * | 2020-09-14 | 2021-06-28 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) | Method for strengthening 3d-printed structures |
| RU2768145C1 (en) * | 2021-04-28 | 2022-03-23 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) | Method for spheroidization of polystyrene powder particles using a gas discharge unit |
| CN113733562A (en) * | 2021-08-23 | 2021-12-03 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 3D printing nozzle based on ultrasonic micro-forging and printing method |
| CN114619666A (en) * | 2021-11-23 | 2022-06-14 | 昆明理工大学 | Method for preparing multifunctional material with isolation structure based on FDM printing technology |
| CN115338426A (en) * | 2022-07-20 | 2022-11-15 | 武汉理工大学 | Device and method for strengthening 3D printing workpiece |
| CN115338426B (en) * | 2022-07-20 | 2023-09-26 | 武汉理工大学 | Device and method for strengthening 3D printing workpiece |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2676989C1 (en) | Method for forming products by three-dimensional layer printing with exposure of microwave electromagnetic field and ultrasound | |
| RU2446047C2 (en) | Method and device for production of moulded products | |
| Pollard et al. | Filament temperature dynamics in fused deposition modelling and outlook for control | |
| US5796207A (en) | Oriented piezo electric ceramics and ceramic/polymer composites | |
| JP2021185268A (en) | Device and method for additional production utilizing flow and fusion of material having increased local supersonic wave | |
| US20190202116A1 (en) | Acoustic energy enabled property isotropy in extrusion-based 3d printed materials | |
| WO2017125412A1 (en) | Device and method for producing a particle foam part | |
| EP0431924A2 (en) | Three-dimensional printing techniques | |
| EP2259912B1 (en) | Additive layer manufacturing technique and apparatus therefor | |
| Abbas et al. | Influence of layer thickness on impact property of 3D-printed PLA | |
| Zeng et al. | Process and properties of micro-ultrasonic powder molding with polypropylene | |
| US20040060639A1 (en) | Method of apparatus for ensuring uniform build quality during object consolidation | |
| Valkenaers et al. | Screw extrusion based 3D printing, a novel additive manufacturing technology | |
| CN105856473B (en) | High-frequency electric field and the method and device of Vibrational force field cooperating with low-temperature processing macro-molecular material | |
| KR102093689B1 (en) | Powder Feeding Device for 3D Printer | |
| JP7137229B2 (en) | Resin molding method | |
| US20170368745A1 (en) | 3d printing process augmentation by applied energy | |
| US11498255B2 (en) | System and method for extruding composite filament | |
| Borzan et al. | PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES CHARACTERIZATION OF THE PARTS FROM PA 2200 MANUFACTURED BY SELECTIVE LASER SINTERING TECHNOLOGY. | |
| Niese et al. | Laser-based generation of conductive circuits on additive manufactured thermoplastic substrates | |
| JP7121940B2 (en) | Molding method and molding equipment | |
| Gabor et al. | The optimization of the production procedure in relation to the mechanical properties of additively manufactured parts | |
| Sharma | Effect of FFF process parameters on density and mechanical properties of PET-G and carbon fiber reinforced PET-G composites | |
| Vorkapić et al. | Optimisation of tensile stress of poly (lactic acid) 3D printed materials using response surface methodology | |
| Syrlybayev et al. | Optimisation of Strength Properties of FDM Printed Parts-A Critical Review, Polymers (2021), 13, 1587 |