В настоящее время 3D-печать изделий на основе послойного нанесения материала используется во многих областях промышленности. Существует много полимерных материалов, которые применяют для печати пластиковых деталей. Для улучшения жесткости, упругости и прочности изделия в полимер добавляют армирующие (укрепляющие) вещества – короткие или непрерывные волокна. 3D-композиты с такими добавками перспективны и экономически доступны. Однако из-за сложностей и особенностей микроструктуры материала механизм его разрушения не до конца изучен. Ученые Пермского Политеха выяснили, как параметры изготовления и микроструктурные характеристики влияют на упругие и разрушающие свойства 3D-печатных полимерных образцов, укрепленных коротким волокном.

Статья с результатами опубликована в журнале «Polymers», 2023. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10350).

Для исследования ученые использовали филамент (пластиковые нити) на основе АБС-пластика, который является одним из самых востребованных видов пластмассы. Данный полимер отличается высокой твердостью, износостойкостью, гибкостью, долговечностью, простотой изготовления и транспортировки. Материал легко окрашивать, и он универсален в использовании, что значительно расширяет сферу его применения. АБС-пластик активно используется для автомобильных запчастей, бытовой техники, электроники и медицинских приборов.

Для эксперимента ученые изготовили 3D-образцы в виде стержней из чистого АБС-пластика и АБС, армированного коротким волокном. Образцы напечатаны с разным углом заполнения (0° и 90°) и разным диаметром сопла (0,4 мм и 0,8 мм). Полученные изделия испытывали на растяжение, упругость, изгиб и исследовали их внутреннюю микроструктуру.

– Максимальная прочность стержней из АБС-пластика, армированного углеродными волокнами выше, чем у образцов из чистого АБС на 42% при печати соплом диаметром 0.4 мм и на 36% при печати соплом 0.8 мм. Исследование упругости изделий показало, что образцы с углом заполнения  демонстрируют более жесткое поведение во всех случаях. А максимальное значение прочности образцов на изгиб получили при использовании сопла диаметром 0.8 мм для всех видов наполнения, – поделился доцент кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» Михаил Ташкинов.

Изучение внутренней структуры образцов показало, что длина и ориентация коротких волокон влияют на упруго-механический отклик композитного материала, полученного аддитивным способом.

Ученые ПНИПУ доказали, что при изготовлении композиционных изделий, укрепленных коротким углеродным волокном, существенную роль играют как микроструктурные параметры, так и параметры производственного процесса и качество напечатанных образцов. Полученные данные повысят эффективность производства армированных 3D-печатных полимерных деталей.

В настоящее время полимерные композиты широко применяются при изготовлении элементов газотурбинных двигателей, беспилотных летательных аппаратов и оболочечных труб. Традиционная лезвийная обработка таких материалов не позволяет экономически эффективно получать сложные пазы, технологические отверстия и другие элементы на изделиях. Повышенный износ лезвийного инструмента способствует снижению качества обработки. Кроме того, в процессе работы появляется мелкодисперсная пыль, которая отрицательно сказывается на долговечности оборудования, а также требует усиленной защиты оператора от попадания в дыхательные органы. Молодые ученые Передовой инженерной школы Пермского Политеха доказали эффективность альтернативного метода обработки полимерных композитов – проволочно-вырезной электроэрозионной обработки.

Электроэрозионная обработка – это снятие слоёв материала с заготовки за счёт плавления и последующего испарения вещества под воздействием электрических импульсов.

Ученые Пермского Политеха решили задачу по обработке материала с ограниченной токопроводностью. Так как полимерный материал в своей основе имеет не токопроводящую связующую смолу, для формирования пробоя необходимо использовать токопроводящий слой. Установлено, что титановая пластина шириной 1 мм позволяет сформировать начальный искровой разряд, который разрушает не токопроводящий слой полимерного композита и запускает взаимодействие с углепластиковой основой материала.

В рамках работы проведен анализ 3D-структуры композита методом компьютерной томографии. Получена трехмерная модель тканной структуры образца, а также проанализированы продольные и поперечные сечения. Установлено, что структура композита однородная, визуально определяется ориентация тканого полотна, но при этом наблюдаются единичные пустоты и дефекты. Отмечено, что разработанная технология позволяет обрабатывать полимерные материалы, однако выбранный режим ведет к оплавлению и разрушению поверхности композита. В настоящее время ведутся исследования по подбору рациональных параметров обработки, обеспечивающих требуемое качество обработанной поверхности. 

– В условиях широкого внедрения полимерных композитных материалов в гражданское и специальное машиностроение важно разрабатывать и  внедрять технологически эффективные методы обработки. Магистрами и молодыми учеными Передовой инженерной школы установлены основные закономерности, описывающие влияние режимов обработки на качество поверхности. В настоящее время мы работаем над улучшением технологии. Запланирован ряд исследований на циклическую долговечность образцов изделий из полимерных композитных материалов после электроэрозионной обработки, – говорит директор Высшей школы авиационного двигателестроения Тимур Абляз.

Так, благодаря ученым Пермского Политеха, была найдена альтернатива лезвийной обработки композитов. Возможность обрабатывать такие материалы новым способом положительно скажется на их долговечности. Впоследствии это приведет к более длинному сроку эксплуатации деталей из композитов, например, деталей газотурбинных двигателей и БПЛА.

часть первая и вторая

Трек был коротким. Очень. Двадцать километров туда-обратно. Но сочетающих в себе почти все виды покрытия. Гравийная полоса и грунтовая дорога, асфальт тротуарный и велодорожка, асфальт дорожный и легкий городской трафик. Так что можно было проверить быстро управляемость и удобство. И вывести некоторые выводы.

рама в общем:

• Оно едет. Что несколько удивительно (для меня).

• конструкция - крепкая. За все время не было ни одного свидетельства появления каких-либо разрушений. Как от дорожной вибрации так и целенаправленных силовых ударов (съезд с бордюров). Кстати, попытка встать в раму ногами - тоже ни к чему не привело, т.е. рама легко выдержит вес в 70+кг на нижней ферме.

• амортизированные тяги никак не влияют на движение. Более того - они сглаживают микроколебания колеса и не передают их в виде вибраций в руль.

• При этом - есть амортизация рамы. Вполне сравнивая с карбоновой рамой (!!!). Однако чувствуется совершенно по другому из-за развесовки (неравномерность распределения веса на разные колеса).

• Велосипед очень устойчив в прямолинейном движении. Даже усиленное агрессивное "виляние" с целью уйти в срыв - ни к чему не приводило: заднее колесо весьма слабо выходило на траекторию движения.

• Да, вырос радиус разворота и вообще разворот воспринимается по другому. А вот выворот колеса при долгом развороте - вероятен, поэтому нужно снижать скорость.

• Нужно по другому оценивать место для поворотов. Брать чуть больше места, чтобы заднему колесу хватило траектории.

• нужно полностью менять крепление тросиков к раме. Мои попытки как-то приклеить держатели на эпоксидке на краску рамы - полностью провалились. Все точки пришлось заменять на стяжки.

колеса:

• Но в линейном движении неровности дороги (на грунтовой, к примеру) нивелируются длиной. Даже на тонких шинах (1.95дюйма). Плюс из-за распределения веса, переднее колесо не "зарывается", что дает ощутимые надежны на сыпучие грунты (но нужна более широкая покрышка).

• Если взять колеса по максимум доступного - 27.5 диаметра или покрышки 2.1+ - мягкость хода будет весьма комфортная. Влезут ли большие колеса и толстные покрышки - сложно сказать. В переднее - должно, а вот назад - под вопросом.

• на дороге выбранные покрышки с мелким рифленным протектором - вполне хорошо на большинстве покрытий. Да, есть ощущение срыва на крупном гравии, но с другой стороны - это вообще в принципе не очень подходящее место для поездок.

мелочи выбора комплектующих:

• Внезапно оказалось очень некомфортно ехать на простом руле-балке. Учитывая то, что я несколько лет езжу на "бабочке" - отсутствие комфортных хватов очень чувствуется.

• односторонние механические тормоза - нужно менять. Это просто отвратительно, очень громко и неудобно.

• система 1х9 с кассетой 11х40 - жить может. Но тяжко. Да, передач вполне хватает на 36т звезде, но диапазон с очень большими интервалами. Отчего переключение очень резкое...как рубильник. Но вот возможность за одно нажатие сбросить 5(!)передач - действительно впечатляет. Но нужно искать какой-нибудь подъем. И желательно уже в загрузке.

• мягкое седло, купленное в Окее - на сезон хватит.

В общем: рама вышла очень....привлекательной. В прямом смысле. Чужое внимание - обеспечено :)

Перехожу на грузовые тесты.

Собственно по оснастке - тут мало что изменилось (если не считать неотображенной замены стяжек на виниловую пленку для закрепления рубашек тросиков). Фанерная платформа на двух вклеенных "бонках". Сверху - небольшая по ширине сумка. Тоже дополнительно закрепленная в раму. В край бортов вставлен пластиковый профиль - он позволяет сумке "держать" борт от изгибания грузом.

И сверху - верхний притяжной крючками за петли - чехол. Внутрь загружен небольшой груз. Два спальника, пара ковриков, полтора литра воды - в общем, лишь бы забить объем и дать небольшую нагрузку на переднее колесо.

Да, платформу можно сделать шире. и сумку - больше. Добавить боковые поддерживающие контрфорсы - и все будет хорошо держаться.

Да, можно было бы загрузить больше. Три пятилитровые канистры воды к примеру. Но для тестов - мне хватит того что есть. Проверить раму на крепость? я спокойно стоял в центре рамы. и даже подпрыгивал. Держит.

Итак, тест на этот раз чуть другой. Лесные грунтовые тропинки, песчаные и гравийные "языки", раздолбанные волнистые грунтовки, асфальт и т.п.

Выводы:

• внезапно велосипед очень хорошо едет по песку. Не закапывается колесами, не буксует и не теряет мобильности. Узкие покрышки и длинная база очень хорошо держат направление движения.

• На ухабистой дороге опять же - длинная база не дает заметной потери хода. Да, скорость снижаешь из-за необходимости искать путь и нужно все-таки подымать "задницу", потому что прямолинейные провалы все-таки отдаются.

• Выше скорость - лучше ход. Велосипед очень не любит низкой скорости. Наоборот - чем выше скорость тем выше устойчивость и самовозвращение на курс. Да и вообще велосипед склонен к прямолинейному движению, даже если нужно подкорректировать маршрут.

• Однако неровная поверхность вызывает дисбаланс и амортизацию всей рамы. Она в прямом смысле гибко "гуляет" и возвращает обратно.

• Нужно заранее, за десяток метров, оценивать возможности поворота, разворота, объезда и траектории движения. Попытка заложить вираж происходит по весьма широкому пути.

Но....всплыли некоторые конструкционные косяки.

Спустя некоторое время специального вызывания болтанки и люфта - стали самостоятельно вытягиваться резьбовые втулки. Да, они были запрессованы, да - забитый с боков клей не давал им прокручиваться. Однако отсутствие насечек и гладкая поверхность - привела к тому, что втулки просто вытягивались вибрацией.

Причем процесс шел длительно шел в течении примерно 30-40 минут. Это удалось поймать на записанных видео-фрагментах.

Итог был...красочный. Во время очередного объезда людей вдруг одна за другой стали отстреливаться тяги. С последующей потери управляемости. И небольшим падением :) "небольшим" потому что "что-то идет не так" уже было понятно, заметно, скорость сброшена и началось торможение. После я, конечно, впрессовал втулки и доехал домой. Но уже без издевательств.

В общем, данный момент нужно будет исправлять. Или все-таки искать нормальную трубу и делать коромысла с контр-фиксацией болтов или искать токаря и изготавливать цельные части нужной формы. Хотя я не оставляю и варианта попробовать воссоздать нужную форму. Но это - уже когда-нибудь потом.

Что дальше... не знаю. Продавать - долго и сложно. В общих чертах потрачено около 50+ тысяч рублей. На раму и оснастку. Можно сэкономить конечно, покупая части на алиэкспресс или авито. Но сделать "на продажу" - я не умею, потому что есть очень сильные заметные непродажные косяки. Скорее всего велосипед пробудет в данной комплектации, а позже - разобран и пойдет на обновление велосипеда ребенка. Смену его ободных тормозов на дисковые, смену 24дюймовых колес на 26, смену трансмиссии с 3х7 на 1х9.

И еще раз:

Велосипед создан исключительно просто так. Проверить способности и возможности. Для эксплуатации он мне просто не нужен. Даже в условиях планирования на лето.

Для начала сразу добавлю: 1) мне не нужен каргобайк для перевозки грузов. Это именно челендж (вызов) для себя и своих способностей. 2)это сокращенная статья. Полные версии - на дзене. Здесь не выходили по причине "политического бана" %)

Все началось где-то в марте. Вначале в ленте ютуба появились ролики про каргобайки, потом их стало больше, стал смотреть конструкции, устройства, виды... и понеслось. Вдруг внезапно неожиданно захотелось создать свой. Но с некоторыми... уточнениями и ограничениями.

• Грузовой велосипед. Т.е. велосипед предназначенный для перевозки грузов. Без багажников, сумок и прочего. Который изначально приспособлен и создан для перевозки грузов. Внутри рамы. И это - важно.

• Колесная рама - увеличенной длины. Специально чтобы вместить грузовое пространство.

• Колеса - заднее - 26, переднее - 24. Это обусловлено необходимостью сохранить форму, увеличить переднее пространство. И - ходовыми задачами.

• Велосипед "подточен" под туризм. Так что это и возможность проезда по относительно хорошим дорогам, и при этом - возможность проезда по узким колеям и тропинкам. От этого и выбор колес выше "грузового городского формата", так и ширина велосипеда - без широкой платформы. И возможность апгрейда увеличения диаметра колес. Так что сразу ухожу от популярных "западных" размеров в 20дюймов в сторону 24-26 с перспективой до 27.5.

• Для перевозки груза - небольшая узкая (30-40см) платформа в нижней части, на которую будет закрепляться большая закрытая сумка. Или это будет одна "внутрирамная" сумка, Или внутрирамная платформа с креплением "молле" для подвеса сумок и т.п. или просто платформа. В общем, оставить возможность модификации.

• Трансмиссия упрощенная до 1х. Я привык к такому выбору. При этом задняя кассета - до 11-40+. Что в при передней звезде 36-38 даст хороший выбор скорости в любых условиях и уклонах. Для удешевления - 9-10ск.

• Материалы обусловлены возможностями. У меня нет сварочного аппарата и доступа к трубам. У меня есть ...балкон и стол. И небольшой опыт и понимание работы с композитами при полном отсутствии опыта сварки труб. К тому же композиты обещают небольшой выигрыш в весе, по сравнению и сталью.

Собственно 3D модель для проверки размеров

И масштабная модель для понимания размеров.

В общем, более подробно - тут:

О конструкции:

1. Задний треугольник, как самая сложная и труднореализуемая часть - от донора. Да, я знаю что ее можно сделать из труб и кое кто делал даже из печати карбоном и из ровных труб... Но для меня это пока сложно. Так что - алюминиевая рама подходящего дорога с отрезанием всего лишнего.

2. Остальная рама - полностью композитная, из стеклопластикового профиля.

3. сборка узлов - эпоксидная смола и базальтовая ткань. Почему именно она? Потому что не хотелось работать с стеклотканью дома. Слишком это ...опасно.

Профиль мне доставили из ...Старой Купавны (Подмосковье). Вот внезапно. В Петербург. Нет, в СПБ тоже есть несколько производств...но они зарядили минимальную "розничную" партию в 100-300 погонных метров. Когда нужно - 6-9 метров всего. Был еще вариант из Владивостока %)

Итак, профиль - 20х40х3 (изначально в расчетах - 40х40х3). В виду уменьшения профиля было решено сделать двойной только нижнюю ферму (с перехлестом профилей), а верхние балки - сделать тоньше.

Резка профиля - купленной болгаркой. Смола - ЭД-20. Ткань - базальтовая. Намотка, пропитка, обертывание полиэтиленом, уплотнение - скотч. Так связывалась нижняя балка и изготавливались рулевые стаканы. Ткань резалась лентами. Это, конечно, не так удобнее как кусками, но позволяет лучше натягивать полотно и выжимать смолу.

Затем уже начался поиск донора, отрезка лишнего и постепенное наращивание рамы фрейма.

Поскольку стапеля нет... как и свободного места, пришлось выкручиваться. Фактически каждая часть выставлялась, калибровалась по лазерному уровню, закреплялась зажимами, добавлялась следующая часть. Швы фиксировалось эпоксидным клеем и так далее до формирования полного фрейма. После чего последовательно в несколько слоев укреплялось лентами ткани и смолы. Правда для задачи выставления пришлось временно оккупировать детскую комнату сына.

Итог на каком-то этапе для сравнения с найнером:

видео:

Покраска...вот тут было очень много фейлов. Тотальных. Тут у меня опыта нет. Я пытался прошпаклевать стекловолоконной шпаклевой сильные провалы, но как оказалось - это нужно было делать более основательно. Грунт аэрозольным баллоном на балконе - родило сильные подтеки. Отвратительные. А уж длительный сильный запах грозил разводом. Так что была куплена более добрая краска в банке, кисти и в три захода кривыми руками, заляпав балкон добился хоть какого-то равномерного цвета тушки. Вес фрейма - ровно 10кг.

Некоторые выводы:

-Смолой работать понравилось. Да, не забывать о дозировке (вес ткани = весу смолы), перчатках, запасе стаканчиков и заранее приготовить все для работы в одном месте.

-базальтовая ткань весьма шустро убивает ножницы. Особенно если резать вдоль нитей. Так что для разметки лучше из полотна вытягивать 2-3 нити и потом уже по этой "стрелке" - резать.

-вытянутые нити и прочие обрезки - пригодятся для плотной фиксации. Так что выбрасывать не нужно, но - хранить отдельно.

-Сразу и много смолы мешать опасно. Большие объемы весьма сильно нагреваются. И если готовая деталь нагревалась до 37 градусов, то 20грамм оставленной без внимания смолы неплохо деформировали стаканчик.

-И лучше взять еще-вот-раз пару перчаток, чем заляпать смолой окружающее пространство :)

Далее что? Создание управления и комплектация навесным. И это растянулось на весьма длительное время. Но об этом - тут в следующей статье.