name: Реновация технических средств с использованием 3D-печати полимерных запасных частей
keyword_list: Реновация технических средств 3D-печать с вакуумной пропиткой Полимерные композиционные материалы Механические свойства композиционных материалов Состав пропитывающего компаунда Технологический процесс изготовления запасных частей
abstract: Актуальность темы исследования. В конструкциях современных сельскохозяйственных машин все большее применение находят детали, изготовленные из полимерных материалов. Одновременно с распространением полимерных деталей возникает проблема их быстрой замены в случае выхода из строя. Как показывает практика, зачастую для производителей и дилеров техники оказывается нерентабельным изготовление и продажа запасных частей из полимеров. Вместо них предлагается приобрести целый узел, который на порядок дороже сломанной полимерной детали. Проблемой являются также и большие сроки поставки отдельных деталей или узлов в силу специфики работы существующих цепочек поставок запасных частей. Таким образом, сроки ремонта значительно увеличиваются, что пагубно отражается на прибыльности предприятий агропромышленного комплекса в силу крайней ограниченности времени выполнения большинства агротехнических работ. Альтернативой закупке запасных полимерных частей является их самостоятельное изготовление с использованием аддитивных технологий. Аддитивное производство не требует использования специальной оснастки, его легко переналадить, и при этом весь цикл изготовления новой детали взамен вышедшей из строя займет один-два рабочих дня. Однако на сегодняшний день технологии 3D-печати не нашли широкого применения для изготовления деталей машин, работающих под нагрузками и эксплуатируемых в реальных конструкциях, и основной нишей их применения остается прототипирование. Сферу использования аддитивных технологий возможно расширить применением новых технологических подходов к 3D-печати, подразумевающих использование новых технологических схем получения деталей с использованием 3D-печати, позволяющих упрочнить напечатанную из полимеров деталь и использовать впоследствии в эксплуатируемой технике.
  Степень разработанности темы. Анализ показал, что применение 3D-печати для изготовления запасных частей сельскохозяйственной техники является перспективным направлением, позволяющим значительно сократить затраты на ремонт. Также по результатам анализа было выявлено, что применение при ремонте полимерных композиционных материалов позволяет повысить эксплуатационные характеристики ремонтируемых деталей и узлов. Однако единого подхода, позволяющего применять при ремонте 3D-печать и композиционные материалы, предложено не было.
  Цель исследований – снижение затрат на реновацию технических средств за счет применения 3D-печати с вакуумной пропиткой для запасных частей из полимерных композиционных материалов.
  Задачи исследования:
  Задачи исследования:
  1. Разработать способ изготовления полимерных запасных частей для сельскохозяйственной техники с использованием 3D-печати на основе анализа существующих подходов;
  2. Разработать методику расчета максимально возможной толщины детали при вакуумной пропитке 3D-печатного каркаса полимерными компаундами;
  3. Разработать методику экспериментальной оценки пропитываемости 3D-печатных каркасов полимерными компаундами в вакууме;
  4. Провести экспериментальные исследования влияния геометрических параметров 3D-печатных каркасов на их пропитываемость полимерными компаундами и механические свойства получаемых композиционных материалов;
  5. Провести экспериментальные исследования влияния состава пропитывающего компаунда и режима отверждения на механические свойства композиционных материалов на основе 3D-печатных каркасов;
  6. Разработать типовой технологический процесс изготовления запасных частей для сельскохозяйственной техники из полимерных композиционных материалов с применением 3D-печати и вакуумной пропитки и оценить его экономическую эффективность.
  Объект исследований – технологический процесс изготовления запасных частей из полимерных композиционных материалов с помощью 3D-печати с вакуумной пропиткой для сельскохозяйственной техники.
  Предмет исследований – закономерности влияния параметров 3D-печати и пропитки, а также состава исходных компонентов на механические свойства запасных частей, изготавливаемых с помощью 3D-печати с вакуумной пропиткой.
  Научную новизну работы составляют:
  - методика расчета максимально возможной толщины детали при вакуумной пропитке 3D-печатного каркаса полимерными компаундами;
  - методика экспериментальной оценки пропитываемости 3D-печатных каркасов полимерными компаундами в вакууме;
  - закономерности влияния геометрии 3D-печатного каркаса (толщины стенок и процента заполнения) на его пропитываемость полимерными компаундами;
  - закономерности изменения прочности и ударной вязкости композитов на основе 3D-печатных каркасов, пропитанных эпоксидной смолой, при изменении процента заполнения при печати каркаса и направления укладки слоев пластика в процессе печати;
  - закономерности изменения прочности и ударной вязкости композитов на основе 3D-печатных каркасов, пропитанных эпоксидной смолой, от состава пропитывающего компаунда и режима отверждения после пропитки.
  Новизна технических решений подтверждается патентом РФ на изобретение № 2750426.
  Практическую значимость представляет разработка типового технологического процесса изготовления запасных частей с помощью 3D-печати с вакуумной пропиткой для сельскохозяйственной техники.
  Методы исследования. Экспериментальные исследования выполнены по оригинальным и известным методикам с использованием современного научно-исследовательского оборудования и средств измерений лаборатории инновационных конструкционных полимерных, композитных и биокомпозитных материалов сельскохозяйственных машин ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, центра коллективного пользования «Нано-центр» ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, кафедры Материаловедения и технологий машиностроения Института механики и энергетики РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, кафедры Химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов Российского технологического университета МИРЭА. Исследование физико-механических характеристик образцов проводилось по ГОСТ 15139-69, ГОСТ 11262-2017, ГОСТ 4647-2015. Обработка результатов испытаний проведена с использованием методов математической статистики с помощью современных вычислительных средств и программы «Microsoft Exel 2010».
  Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современных методов исследования с применением регрессионного анализа с проверкой адекватности модели по критерию Фишера, статистической обработки экспериментальных данных и необходимой повторяемостью экспериментов. Исследования выполнены с использованием аттестованных приборов и установок с применением общепринятых и проверенных аналитических методов. Результаты исследования прошли широкую апробацию в печати, на научно-исследовательских конференциях и выставках.
  Положения, выносимые на защиту:
  - методика расчета максимально возможной толщины детали при вакуумной пропитке 3D-печатного каркаса полимерными компаундами;
  - методика экспериментальной оценки пропитываемости 3D-печатных каркасов полимерными компаундами в вакууме;
  - математическая модель, описывающая зависимость пропитываемости 3D-печатных каркасов от параметров их геометрии (толщина стенки и процент заполнения);
  - результаты исследования влияния внутренней геометрии 3D-печатных каркасов, пропитанных компаундом на основе эпоксидной смолы, на механические свойства композита;
  - результаты исследования влияния химического состава пропиточного материала и режимов отверждения после пропитки на свойства композиционных материалов на основе 3D-печатных каркасов.
  Реализация результатов исследования. Разработанный способ упрочнения 3D-печатных конструкций принят к внедрению компанией ООО «Тоталзед», предоставляющей услуги по изготовлению 3D-печатных полимерных изделий на заказ.
  Апробация. Основные положения и результаты исследования докладывались на Международных научно-технических конференциях, международных форумах, конференции-презентации научно-технических достижений ста высококлассных иностранных специалистов в провинции Хэбэй (Китай, онлайн-формат, 2020).
  Публикации. Основные положения работы опубликованы в 18 работах, в том числе 10 публикаций в рецензируемых научных изданиях, из которых 6 – в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК, 3 – в изданиях, которые входят в международную реферативную базу данных Scopus, 1 – патент на изобретение РФ.
  Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, включает 116 рисунков и 29 таблиц, список литературы содержит 99 наименований.
chairman_dissertation_council.name: Валентин
chairman_dissertation_council.surname: Лялякин
chairman_dissertation_council.patronymic: Павлович
chairman_dissertation_council.position: Главный специалист
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Профессор
chairman_dissertation_council.wos_research_id: "-"
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 7801670445
chairman_dissertation_council.rinc_id: 174162
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Александр
organization_supervisor.surname: Соколов
organization_supervisor.patronymic: Вячеславович
organization_supervisor.position: Ведущий научный сотрудник
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 68.85.83
rubrics.name: Техническое обслуживание, ремонт машинно-тракторного парка и сельскохозяйственного инвентаря
oecds.code: 04.05.AE
oecds.name: AGRICULTURAL ENGINEERING
speciality_codes.name: Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве
speciality_codes.code: 05.20.03
supervisors.fio: Денисов В.А.
supervisors.scientific_degree: Доктор технических наук
supervisors.speciality_code: Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Котин А.В.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Сивцов В.Н.
opponents.scientific_degree: Кандидат технических наук
opponents.speciality_code: Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ФГБНУ ФНАЦ ВИМ
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ФЕДЕРАЛЬНЫЙ НАУЧНЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР ВИМ"
protection_organization.ogrn: 1037739771827
protection_organization.supervisor_name: АНДРЕЙ
protection_organization.supervisor_surname: ИЗМАЙЛОВ
protection_organization.supervisor_patronymic: ЮРЬЕВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: ФГБНУ ФНАЦ ВИМ
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ФЕДЕРАЛЬНЫЙ НАУЧНЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР ВИМ"
author_organization.ogrn: 1037739771827
author_organization.supervisor_name: АНДРЕЙ
author_organization.supervisor_surname: ИЗМАЙЛОВ
author_organization.supervisor_patronymic: ЮРЬЕВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения