Исследовательская деятельность учащихся "Исследование механических свойств ABS пластика, модифицированного нанопорошком диоксида кремния SiO2 и возможность использования в 3D печати."

Министерство  образования и науки  Республики Бурятия

МАОУ   ФМШ  №56  г.Улан-Удэ

XXIV научно-практическая конференция школьников

«Шаг в будущее»

Тема:Исследование  механических свойств ABS пластика, модифицированного нанопорошком диоксида кремния SiO2 и возможность использования  в 3D печати

Выполнили: Хингелов Тимур,

 Усольцев Роман- 10 класс

Учитель:Магура Мария Петровна, учитель  физикивысшей категории, МАОУ ФМШ №56

Научный руководитель: старший научный сотрудник БГУ Лыгденов Валерий Цырендондокович.

г. Улан-Удэ

                                                     2017г

                                             Содержание

Научная и техническая актуальность проекта…………………………………..3

Задачи……………………………………………………………………………...3

Практическая значимость работы……………………………………………….4

Ожидаемые результаты…………………………………………………………………………4

ОписаниеABSпластика…………………………………………………………..5

3D печать………………………………………………………………………………6

Виды 3D печати…………………………………………………………………...7

3Dпринтер, используемый в исследовании……………………………………10

Исследование механических свойств ABS пластика…………………….……11

Методика проведения эксперимента…………………………………………...12

Выводы…………………………………………………………………………...13

Используемая литература……………………………………………………….14

Введение

Научная и техническая актуальность проекта.

 3D-печать — это одна из быстро развивающихся и перспективных аддитивных технологий, имеющая большие преимущества перед другими технологиями изготовления изделий, прототипов. Перспектива развития и возможности 3D-печати как в научном, так и в техническом плане не изучены в полной мере. Одним из перспективных направлений развития 3D-технологии, считаем, создание композитных материалов. Композитные материалы- это материалы на основе нескольких компонентов, которые обязательно упрочняются специальными волокнами или кристаллами. Пластичность, прочность, широкая сфера применения – вот чем отличаются современные композитные материалы. Если комбинировать содержание компонентов, можно получать композиты разной прочности, упругости, стойкости к абразивам.

Цель: Получение ABS пластика, используемого в 3D-печати, с повышенными прочностными свойствами.

  Задачи:

1)    Модифицировать ABS пластикнанопорошком и получить материал с более повышенной твердостью и износостойкостью.

2)     Разработать метод получения из этого вещества конкретных деталей

3)     Теоретическая разработка по внедрению данного вещества в промышленность

Практическая  значимость работы

Предлагаемый проект направлен на разработку технологии получения нанокомпозитного материала на основе полимера с целью повышения его эксплуатационных и технологических характеристик для дальнейшего применения его в 3D- печати. Это,  получение нанокомпозитов, обладающих превосходными физическими и механическими свойствами по принципиально новой технологии, и которые могут применяться в самых разных областях, включая производство электроники и новых материалов, в медицине и в экологии, в аэрокосмической и автомобильной отраслях. Как известно, механические, электрические, термические, оптические и иные характеристики нанокомпозитов заметно разнятся со свойствами обыкновенных композитных материалов, изготовленных из тех же базовых веществ или элементов. Главное условие для создания полимерного нанокомпозита с необходимыми свойствами заключается в полной совместимости основного материала и добавляемых к нему наночастиц, однако не менее важно для конечного результата правильно распределить наночастицы в объеме полимера. Потому производство нанокомпозитов представляет собой высокотехнологичную отрасль и требует проведения серьезных научных исследований в области нанотехнологий.

Ожидаемые научные и технические результаты.

Будут сформированы нити, с применением экструдера, причем предварительно полимер измельчается до стружки, смешивается с нанопорошками, частицы которых обладают повышенной твердостью, например, диоксида кремния,нанотрубки с содержанием 1-5 вес.%.

Будет напечатано изделие по созданной компьютерной программе с помощью двухголовочного 3-D принтера, причем через одну термоголовку подается модифицированная нанопорошком полимерная нить, а через вторую – немодифицированная нить.

Эффективно и с малыми затратами на материал будут получены полимерные изделия с износостойкими частями из промышленно производимых полимеров в заранее заданных местах, размером не менее 5 мкм.,

Описание ABS пластика

ABS-пластик (акрилонитрилбутадиенстирол, АБС) химическая формула (C₈H₈)_x·(C₄H₆)_y·(C₃H₃N)_z)– техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом ,ударопрочный термопластик, завоевавший высокую популярность в промышленности и в аддитивном производстве. Пропорции могут варьироваться в пределах: 15—35 % акрилонитрила, 5—30 % бутадиена и 40—60 % стирола. Производство одного килограмма АБС требует эквивалента примерно 2 кг нефти в виде материалов и энергии. Также он может быть повторно переработан.Отличные механические и физические свойства ABS-пластика обуславливают возможность применения этого материала для создания всевозможных объектов, имеющих практическую ценность. ABS-пластик широко применяется в автомобильной, медицинской и сувенирной промышленности, в производстве спортивного инвентаря, сантехники, банковских карт, мебели, игрушек и др.
Свойства

·         Непрозрачный (хотя есть и прозрачная модификация — MABS) материал желтоватого оттенка. Окрашивается в различные цвета.

·         Нетоксичность в нормальных условиях

·         Долговечность в отсутствие прямых солнечных лучей и ультрафиолета^[3]

·         Стойкость к щелочам и моющим средствам

·         Влагостойкость

·         Маслостойкость

·         Кислотостойкость

·         Теплостойкость 103 °C (до 113 °C у модифицированных марок)

·         Широкий диапазон эксплуатационных температур (от −40 °C до +90 °C)

·         Растворяется в сложных эфирах, кетонах, 1,2-дихлорэтане, ацетоне.^[3]

·         Плотность 1.02-1.06 г/см³

3D печать

3D-печать — это одна из аддитивных технологий, которая предполагает создание изделий сложной формы, когда материал наносится последовательно, как правило, слой за слоем, поэтому расходуется его столько, сколько необходимо (при традиционных технологиях создание детали происходит путем удаления «лишнего» материала). Аддитивные технологии отличаются друг от друга выбором материалов и способа их нанесения, однако во всех случаях создание модели основывается на послойном наращивании. Расходными материалами может послужить пластик, бетон, гипс, деревянное волокно, поликарбонат, металл и другие. Не секрет, что 3D-принтер уже стал незаменимым помощником для профессионалов разных отраслей. На данный момент наиболее востребованными системы 3D печати являются в направлениях: архитектуры, дизайн упаковки, литьё, сувенирная продукция, мелкосерийное производство, медицина, функциональное тестирование, кулинария, ювелирные украшения, стоматология, авиация и т. д. В настоящее время обычно выделяют два основных направления развития 3D-технологии.

Есть и еще один момент: в отличие от работы на привычных устройствах обработки (фрезерных, токарных и других станках), 3D-печать не требует глубоких познаний в области материаловедения и большого опыта в обработке материалов. Конечно, здесь тоже не обходится без тонкостей и хитростей, но научиться печатать образцы по готовым моделям на 3D-принтерах можно гораздо быстрее.

Виды 3D печати

Технология  FDM

Моделирование методом послойного наплавления (англ. Fuseddepositionmodeling (FDM)) – технология аддитивного производства, широко используемая при создании трехмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве.
Технология FDM подразумевает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели. Как правило, в качестве материалов для печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков.
Технология FDM была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и вышла на коммерческий рынок в 1990 году.
Оригинальный термин «FusedDepositionModeling» и аббревиатура FDM являются торговыми марками компании Stratasys. Энтузиасты 3D-печати, участники проекта RepRap, придумали аналогичный термин «FusedFilamentFabrication» («Производство методом наплавления нитей») или FFF для использования в обход юридических ограничений. Термины FDM и FFF эквивалентны по смыслу и назначению.

Технология LOM

LOM (LaminatedObjectManufacturing — создание многослойного объекта) — это одна из технологий 3D печати, отличающаяся невысокой стоимостью производства, которая нашла себе применение в самых различных сферах деятельности. Этот способ был предложен компанией HelisysInc (в наши дни — Cubic) и он практически сразу привлек внимание многочисленных специалистов трехмерного моделирования.

Технология подразумевает использование лазерного луча (или ножа) и тонких листовых материалов для создания твердых объектов практически любой сложности. В результате модели формируются с хорошими показателями точности, отличными физическими свойствами, а для их производства требуется немного времени.

Принцип работы LOM

В качестве расходного материала для 3D печати по технологии LOM используется полихлорвиниловая пленка, бумага, металлическая фольга, которые поставляются в рулонах или отдельных листах. Материал подается на рабочую платформу, где раскатывается разогретым роликом и склеивается между собой слой за слоем.

Наглядная демонстрация технологии LOM

Технология SLA

Стереолитография (SLA или SL) – технология аддитивного производства моделей, прототипов и готовых изделий из жидких фотополимерных смол. Отвердевание смолы происходит за счет облучения ультрафиолетовым лазером или другим схожим источником энергии. 

Метод основан на облучении жидкой фотополимерной смолы лазером для создания твердых физических моделей. Построение модели производится слой за слоем. Каждый слой вычерчивается лазером согласно данным, заложенным в трехмерной цифровой модели. Облучение лазером приводит к полимеризации (т.е. затвердеванию) материала в точках соприкосновения с лучом. 
По завершении построения контура рабочая платформа погружается в бак с жидкой смолой на дистанцию, равную толщине одного слоя – как правило, от 0,05мм до 0,15мм. После выравнивания поверхности жидкого материала начинается процесс построения следующего слоя. Цикл повторяется до построения полной модели. После завершения постройки, изделия промываются для удаления остаточного материала и, при необходимости, подвергаются обработке в ультрафиолетовой печи до полного затвердевания фотополимера.

Стереолитография требует использования поддерживающих структур для построения навесных элементов модели, аналогично технологии моделирования методом послойного наплавления (FDM). Опоры предусматриваются в файле, содержащем цифровую модель, и выполняются из того же фотополимерного материала. По сути, опоры являются временными элементами конструкции, удаляемыми вручную после завершения процесса изготовления. 

3DпринтерMakerBootReplicator 2x

Персональный 3D-принтер MakerBotreplicator 2X имеет 2 печатающие головки, что позволяет производить модели сразу двумя цветами. Максимальная область печати устройства составляет 250x160x150 мм, а толщина слоя при печати 0,1 мм. Благодаря этому возможно построение  3D моделей высокой четкости   .Принтер оснащен LCD панелью, которая позволяет осуществлять контроль за процессом печати. Расходным материалом является PLA пластик .

Исследование физических и механических свойств ABS пластика

ABS – ударопрочный аморфный материал. Отличительные свойства АБС пластика: теплостойкость 110 градусов, выдерживает низкие температуры до -40 градусов, дает блестящую поверхность, имеет хорошую химическую стойкость, стоек к щелочам и смазочным маслам, характеризуется пониженными электроизоляционными свойствами, нестоек к УФ-излучению. АБС пластик пригоден для нанесения гальванического покрытия и даже металлизации (некоторые марки), а также для пайки контактов. АБС-пластик рекомендуется для точного литья. Имеет высокую размерную стабильность. Необходима сушка АБС-пластика в течение от 0,5 до 2 часов при температуре 70-80 градусов (в зависимости от сушилки). Нужно быть внимательным при печати больших объектов, поскольку по мере остывание модели возможны деформации. После печати на 3D принтере модели из ABS пластика, её можно легко отшлифовать и покрасить аэрозольной или акриловой краской. ABS производится из ископаемого топлива и не подвержен биологическому разложению. ABS более хрупкий. При сильном ударе ABS сломается. ABS значительно жестче, и там, где PLA уже начинает гнуться, ABS сохраняет форму и держит нагрузки. ABS пластик прекрасно растворяется в обыкновенном ацетоне (это необходимо для химической обработки готовой модели). ABS — значительно долговечнее, не разлагается, из нефтепродуктов.

Методика проведения эксперимента

Эксперимент №1

Перед нами встала проблема превращения пластика в порошок.Так как пластик обладает низкой температурой плавления (180-200’C) при стачивании пластика на точильном станке, ABS гранулы слеплялись между собой. Тогда мы решили стереть пластик в стружку с помощью канцелярского ножа. Полученную стружку  взвесили  на электронных весах. Для начала решили взять в отношении 1/4. Высчитали  нужное количество SiO₂.Перемешали порошок и пластиковую стружку до однородной массыи поместили в FilaBot( устройство получения нити из вторичного пластика) Получали готовую нить при температуре 240⁰С.

Эксперимент №2

Затем мы взяли в отношении 1/6. Получали нить в том же приборе при той же температуре. Полученная нить получилась жесткой, но коэффициент упругости был недостаточен для печати на 3D принтере.

Эксперимент №3

Мы снизили концентрацию нанопорошка. Взяли в отношении 1/10. Полученная нить обладала большей жесткостью, чем обычная нить   и достаточной  упругостью для печати на 3D принтере.

Эксперимент №4

Сделав 10 метров модифицированной нити 1/6 и 1/10,мы поместили ее в 3D принтер. Первую головку экструдера заправили модифицированной нитью, вторую обычной. Конечной моделью стала пластинка состоящая из двух слоев ABS .

Эксперимент №5 (проверка микропрочности по Виккерсу)

Испытания производится путем вдавливания алмазного индентора пирамидальной формы с определенным испытательным усилием в поверхность образца для испытаний. После определенного времени под нагрузкой индентора поднимается, величина твердости рассчитывается согласно длине диагонали отпечатка или высчитывается согласно формуле по методу Виккерса.

                                             Выводы

Полученные результаты показали, что применение нанокомпозитных материалов на основе ABSпластика позволяют достичь высокой прочности и износостойкости изделия.  Результаты проведенных исследований можно  внедрить в разные отрасли промышленности с целью удешевления  производства.

Используемая литература

1.     Нанотехнологии для всех. Большое в малом. Автор Мария Рыбалкина

2.     «Нано» на стыке наук:нанообъекты, нанотехнологии, нанобудущее. Автор Владислав Фельдюлюм.

3.     Сайты:

http://3dtoday.ru

https://ru.wikipedia.org

https://geektimes.ru

http://radaspb.ru