ТРЕХМЕРНЫЕ ПРОТОТИПЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕНАПОЛНЕННЫХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ КОМПОЗИЦИЙ Абдуллин М.И.,Басыров А.А.,Колтаев Н.В.,Кокшарова Ю.А.

Башкирский государственный университет


Номер: 11-2
Год: 2015
Страницы: 8-13
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

поливинилацетат, электропроводящая композиция, Printex XE-2B, UniqBot Maximus, polyvinyl acetate, electroconductive composition, Printex XE-2B, UniqBot Maximus

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Показана принципиальная возможность использования угленаполненной полимерной композиции на основе поливинилацетата марки М 10 и технического углерода марки Printex XE-2B для 3D печати электропроводящих трехмерных прототипов с использованием 3D принтера шнекового типа. Продемонстрирована возможность применения полученных трехмерных объектов в электрических схемах.

Текст научной статьи

Технология 3D печати является одной из наиболее бурно развивающихся технологий в современном мире [1-3]. Впервые появившись как инструмент для визуализации и прототипирования, 3D печать в настоящее время применяется в машиностроении, проектировании, медицине, искусстве и других сферах жизнедеятельности. Расширение области использования трехмерных прототипов в первую очередь связано с материалами, используемыми для печати, а также с физико-механическими характеристиками конечных прототипов [4]. Однако существующие технологии предполагают использование только определенных полимеров с заданным набором свойств и их переработку в виде филаментарных нитей, что существенно сужает области применения полимерных материалов. Одним из наиболее перспективных направлений является трехмерное прототипирование электропроводящих объектов, что позволяет существенно расширить области применения получаемых материалов, а также улучшить их технологические свойства. Целью данной работы являлось получение электропроводящих прототипов резисторов, емкостных переключателей, датчиков температуры и нагревательных элементов на основе угленаполненных ПВА-композиций. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Использованные материалы: поливинилацетат марки М 10 (ПВА М 10), технический углерод марки Printex XE-2B (ТУ Printex XE-2B). Термическую обработку электропроводящих трехмерных прототипов использованных в качестве датчиков температуры проводили в инертной среде азота в изотермических условиях при температуре 300±10˚С в течение 75 мин. Переработка полученных угленаполненных композиций осуществлялась с использованием 3D принтера UniqBot компании ООО «Unimatech» модификация «Maximus 1.2». Характеристики использованного принтера: потребляемая мощность 250 Вт, перерабатываемые виды пластика любые виды термопластов и наполненных термопластов перерабатываемых методом экструзии, толщина слоя печати от 0,05 до 0,40 мм, диаметр сопла 0,50 мм, температурный рабочий диапазон экструдера от 25 до 300°С, скорость печати до 30 см3/час, область печати 120х120х150 мм Измерение электропроводности полученных прототипов проводили с помощью кондуктометра (диапазон измерений 1 Ом - 2 мОм, относительная погрешность 0,5). Значение электропроводности полимерных композиций определяли по ГОСТ 11645-73. Рис. 1. Экспериментальная электрическая схема измерения термоэлектрического сопротивления датчика температуры Расчет сопротивления термистора рассчитывали по уравнению Ома: [1] ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ С ростом тенденций развития новых материалов и возможностей создания любых трехмерных объектов с помощью несложных систем управления появляются новые требования к полимерному сырью и устройствам создания трехмерных прототипов - простота в использовании, а также улучшение физико-механических и технологических свойств получаемых объектов. Использование принтера шнекового типа позволяет применять в 3D печати большее число полимерных материалов и композиций, а также решает проблему с использованием порошкообразного и гранулированного сырья. В качестве возможной к применению в трехмерной печати полимерной композиции рассмотрена смесь бисерного поливинилацетата и технического углерода. Технический углерод является одним из электропроводящих наполнителей, вводимых в полимерную матрицу для направленного регулирования ее электропроводности [5]. Для композиции на основе ПВА М 10 и ТУ Printex XE-2B со степенью наполнения 10 масс.% были изучены электрические свойства и возможность ее применения в качестве токопроводящего материала для трехмерного прототипирования. Установлено, что сопротивление полученной полимерной композиции варьируется в широких пределах, что позволяет использовать ее в различных сферах, предполагающих применение токопроводящих материалов. Таблица 1 Электрические свойства композитов на основе ПВА ТУ Printex XE2B (степень наполнения ТУ 10 масс.%) № Длина, мм Площадь поперечного сечения, мм² R, Ом Отклонение, % Мощность, Вт 1 5,00 2425 1 10 25 2 10,5 50,0 100 10 2,5 3 10,5 5,0 10³ 10 1 4 10,5 0,50 10 0,1 5 10,5 0,05 20 0,05 Электропроводящая полимерная композиция на основе ПВА ТУ Printex XE2B может быть использована для трехмерного прототипирования пассивных электрических систем и элементов. В качестве прототипов с помощью 3D печати были созданы следующие элементы электрических схем: - постоянные резисторы; - емкостные кнопочные переключатели - датчики температуры (термометры) - электронагревательные элементы. В качестве материала для трехмерного прототипирования постоянных резисторов использовали поливинилацетат с содержанием технического углерода 10 масс.%. Установлено, что в зависимости от геометрической формы напечатанных прототипов возможно в широких пределах регулировать свойства полученных резисторов: от 1 до 106 Ом (табл.1). Полученные резисторы могут быть использованы в качестве элементов сопротивления в электрических схемах. Рис. 1. Постоянные резисторы, полученные с применением 3D принтера Таким образом, на основе угленаполненных ПВА композиций с содержанием технического углерода 10 масс.%, с использованием системы трехмерного прототипирования возможно получение постоянных резисторов с сопротивлением от 1 до106 Ом. Емкостные датчики обнаруживают изменение емкости, когда какойлибо объект приближается к датчику. Новая область применения, которая становится все более популярной - это пользовательские интерфейсы для электронных систем. Полученные на основе угленаполненных композиций с использованием системы трехмерного прототипирования электронные интерфейсы состоят из излучателя и приемника, которые представляют собой интегрированные емкостные кнопки и электропроводящие дорожки, образующие слои, между которыми формируется электрическое поле. Сигнал, соответствующий напряженности поля, оцифровывается с помощью имеющегося на плате сигмадельта преобразователя емкости в цифровой код. Конфигурация поля меняется, когда палец оператора оказывается вблизи датчика, и часть электрического поля замыкается на пальце. В результате емкость датчика уменьшается на величину порядка фемтофарад, и это изменение детектируется преобразователем [6]. Рис. 2. Схематичное изображение принципа работы емкостного переключателя [6]. Разработанные емкостные переключатели работают следующим образом. Управляющий контролер постоянно измеряет емкость датчика. Когда датчик не активен, величина емкости запоминается в качестве фонового значения. При касании к датчику, величина емкости меняется. Код, соответствующий уровню порога срабатывания, хранится в регистрах микросхемы. Когда емкость превысит верхний или нижний порог срабатывания, микросхема вырабатывает сигнал «датчик активирован» и подает сигнал прерывания (рис. 2). Рис. 3. Емкостные датчики, полученные на основе угленаполненной ПВА композиции с содержанием технического углерода 10 масс.% с использованием системы трехмерного прототипирования Представленные интерфейсы для ввода данных могут найти широкое применение в различных отраслях техники в качестве устройств ввода информации в экспериментальных установках, датчиков движения и перемещения, сенсорных элементов и др. Действие термометров сопротивления основано на температурной зависимости электронного сопротивления. Указанным свойством обладает множество материалов, но лишь немногие из них удовлетворяют вторичным эксплуатационным требованиям, связанным со стабильностью свойств и нечувствительностью к внешним воздействиям по другим физическим параметрам (давление, плотность магнитного потока, поток нейтронов и т.п.). На основе угленаполненных полимерных материалов, подвергнутых термообработке, получены датчики температуры типа термистор с отрицательным температурным коэффициентом (рис. 4). Рис. 4. Зависимость сопротивления термистора на основе угленаполненной композиции от температуры Уравнение, характеризующее электротемпературную зависимость датчиков температуры (уравнение КаллендараВан Дьюзен) имеет следующий вид: Характеристики датчика температуры: диапазон измеряемых температур от 20 до 160°С; показатель тепловой инерции 354с (при объеме экспериментального образца 350 мм). Рис. 5. Датчик температуры, полученный на основе угленаполненной ПВА композиции с содержанием технического углерода 10 масс.%, с использованием системы трехмерного прототипирования Разработанные датчики температуры могут быть использованы в составе экспериментальных и опытных установок для измерения температуры различных сред. Электрические нагревательные элементы находят широкое применение в бытовой и промышленной технике: это электрические плиты, жарочные шкафы и духовки, электрокофеварки, электрические чайники и отопительные приборы всевозможных конструкций. Основой многих нагревательных элементов служит проволока с высоким электрическим сопротивлением, чаще всего изготовленная из нихрома. Однако создание нагревательных элементов сложной геометрии сопряжено со значительными затратами. Перспективным материалом, способным заменить нихромовые нагревательные элементы в средних и невысоких термпературных диапазонах, являются угленаполненные полимерные композиции. Так на основе ПВА композиций с содержанием технического углерода 10 масс.%, с использованием системы трехмерного прототипирования созданы нагревательные элементы. Характеристики нагревательных элементов представлены ниже: Геометрические размеры нагревательных элементов: варьируемые; Мощность нагревательных элементов: до 0,1 кВт Напряжения питания: до 220 В переменного, до 250 В постоянного. Трехмерное прототипирование нагревательных элементов любой геометрической формы открывает широкие возможности для использование разработанных элементов в самых различных областях техники. Нагревательные элементы на основе угленаполненных композиций могут найти применение в экспериментальных установках органического синтеза, микронагревательных системах и др. Таким образом, с использованием 3D принтера UniqBot модификации «Maximus 1.2» показана возможность получения электропроводящих полимерных прототипов на основе поливинилацетата марки М 10 и технического углерода Printex XE-2B. Продемонстрирована возможность получения электропроводящих трехмерных прототипов на основе угленаполненных ПВА композиций: постоянных резисторов, емкостных кнопочных переключателей, датчиков температуры и нагревательных элементов с сопротивлением от 1 до Ом.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.