Проблемы машиностроения и надежности машин, 2022, № 3, стр. 95-101

В технологической системе возделывания сельскохозяйственных культур химическая защита растений от сорняков, вредителей и болезней имеет приоритетное значение. В структуре комплексной системы защиты растений особое место занимает по праву химический метод, и в частности, опрыскивание. Эффективность работы опрыскивателей в первую очередь определяется качеством используемых распылителей, регулирующих дисперсность и количество распыляемой жидкости [1–3]. Наиболее часто применяют распылители, изготовленные из полимерных материалов, благодаря их высокой химической стойкости, большему сроку жизни и низкой цене [4].

В настоящее время одним из перспективных направлений производства различных деталей из полимерных материалов является применение аддитивных технологий. Внедрение технологий трехмерной печати (3D-печать) обеспечивает возможность создания детали машины или изделия в целом на основе разработанной 3D-модели в кратчайшие сроки и с минимальными потерями материалов [5–8]. Полимерные распылители сельскохозяйственных опрыскивателей также могли бы изготавливаться методами 3D-печати, что позволило бы существенно сократить затраты на их изготовление при разработке и испытаниях новых образцов распылителей или при срочном ремонте опрыскивателей [9]. Однако номенклатура материалов, применяемых для 3D-печати, ограничена. Имеются также ограничения по точности изготовления моделей и качеству их поверхности. Таким образом, возникает опасение, что 3D-печатные распылители не будут повторять характеристики их аналогов, изготовленных традиционным методом литья под давлением [10–13]. Цель статьи – сравнение функциональных характеристик 3D-печатных щелевых распылителей с их серийно изготавливаемым аналогом и оценке возможностей их применения.

Материалы и методы. Для изготовления образцов применялась технология 3D-печати. Для этого в начале в программе SolidWorks строилась трехмерная модель образца (рис. 1).

Рис. 1.

Трехмерная модель распылителя: (а) – общий вид; (б) – в разрезе.

Для 3D-печати распылителей были выбраны технологии SLA и SLS, поскольку они обеспечивают более высокую точность и качество поверхности изделий по сравнению с имеющимися аналогами. Для изготовления образцов методом SLA-технологии используется фотополимерная смола, которая заливается в бак, после чего лазерный луч обводит контур детали и таким образом формируется деталь под действием ультрафиолетового света [14, 15]. Технология SLS-печати имеет похожий принцип действия и позволяет получать изделия из мелких кусочков пластика, керамических или стеклянных порошков [16, 17]. Схемы работы принтеров, работающих по SLS- и SLA-технологии представлены на рис. 2.

Рис. 2.

Схема работы 3D-принтера и образцы для испытаний: (а) – схема работы 3D-принтера, работающего по SLА-технологии; (б) – схема работы 3D-принтера, работающего по SLS-технологии; (в) – образцы для испытаний.

Распылители, исследуемые в настоящей статье, были изготовлены из различных материалов. В качестве эталонного образца использовался распылитель, изготовленный из термопласта – полиформальдегид (POM). Данный образец принадлежит компании TeeJet, изготовленный методом литья под давлением. При изготовлении образцов, полученных методом SLA-печати, применялась фотополимерная смола FormLabs Durable Resin. Образцы, полученные методом SLS-печати, изготавливались из полиамида 12 (РА 12) (рис. 2).

Для оценки функциональных характеристик, полученных щелевых распылителей использовали испытательный стенд (рис. 3), состоящий из бака для воды с насосом-фильтром, корпуса, распределителя, манометра, напорного шланга и штанги с распылителями.

Рис. 3.

Испытательный стенд для исследования распылителей.

Эксперимент проводился следующим образом: одновременно испытывался эталонный образец из термопласта и исследуемый образец. Распылитель крепился на кронштейне, плоскостью веера распыла поперек стола. Бак опрыскивателя заполняли водой, и насосом в нем создавалось давление. Из распылителя вода попадала на стол, стекала по наклонной поверхности в лоток, а затем в емкость под ним. Испытания распылителей на стенде проводилось при различном давлении: минимальное – 1 Па, промежуточное – 2.5 Па, максимальное 4 Па. После установки требуемого давления устанавливали мерный стакан объемом 200 мл и включали секундомер. Испытания проводили в течение 3 с, после чего закрывали кран и измеряли количество жидкости в мерном стакане по достигнутой метке.

Также в процессе испытаний проводили измерение угла распыла. Для этого процесс распыления записывали на камеру. Из полученных видео формировали стоп-кадры. После эти изображения обрабатывались в программе КОМПАС-3D: на изображении строились две линии, касательные к формируемому факелу распыла жидкости, и измерялся угол между ними.

Дополнительно проводилось исследование изменения диаметра распылителя после испытаний, которое осуществлялось при помощи оптического микроскопа GX53. Также при помощи аналитических весов измерялась масса исследуемых образцов распылителей до и после проведения испытаний.

Результаты и обсуждение. Средний расход рабочей жидкости для распылителей, изготовленных различными методами, представлен на рис. 4.

Рис. 4.

Гистограмма сравнения расхода рабочей жидкости: (а) – SLA-печать; (б) – SLS-печать: – эталон; – образец.

Образцы, изготовленные с помощью 3D-печати, имеют больший расход воды по сравнению с эталоном. В среднем для распылителей, изготовленных методом SLA-печати, происходит увеличение расхода жидкости на 44–49%, для распылителей, изготовленных SLS-печатью, на 58–66%.

Внешний вид факелов распыла исследуемых распылителей при одинаковом давлении (2.5 Па) показан на рис. 5. Полученные данные, анализировались при помощи фото- и видеоматериалов, снятых в ходе эксперимента.

Рис. 5.

Угол факела распыла: (а) – эталонный образец; (б) –SLA-печать; (в) – SLS-печать.

Согласно данным рис. 5 видно, что самым большим размером капель обладают образцы, изготовленные методом SLS-печати, можно заметить ярко выраженные струи воды. При испытании образцов, изготовленных SLA-печатью, также можно заметить крупные капли. Значения угла распыла образцов представлены в табл. 1.

Также в ходе исследования проводилось измерение диаметра сопла образцов до и после проведения испытаний с помощью электронного микроскопа. Примеры полученных изображений представлены на рис. 6. Данные измерений представлены в табл. 2. Как видно наибольшее увеличение диаметра произошло у порошковых образцов, изготовленных методом SLS-печати. В среднем увеличение диаметра распылителей, изготовленных при помощи SLS-технологии, составило порядка 10%.

Рис. 6.

Диаметр образцов, измеряемый при помощи микроскопа: (а) – эталонный образец; (б) – SLA-печать; (в) – SLS-печать.

Следовательно, такой метод не подходит для создания распылителей опрыскивателя, т.к. происходит быстрый износ распылителя, что ведет к изменению угла факела распыла и большему расходу рабочей жидкости. Изменение диаметра образцов из фотополимерной смолы составило 1%.

Далее измерялась масса образцов до и после испытаний. Полученные данные представлены в табл. 3.

Как видно из полученных данных масса исследуемых распылителей незначительно увеличилась после испытаний, что может свидетельствовать о поглощении воды данными материалами. Эталонный образец, напротив стал весить меньше из-за износа распылителя.

Выводы. В результате проведенной работы было установлено, что изготовленные образцы имеют более чем на 50% увеличенный расход воды по сравнению с эталонным. Также по сравнению с образцом из термопласта, образцы, изготовленные методом SLA- и SLS-печати подвержены большему износу и увеличению диаметра сопла. У образцов, полученных порошковой печатью увеличение диаметра сопла составляет 10%. Также, полученные образцы, обладают способностью поглощать воду, о чем свидетельствует увеличение массы образцов после проведения испытаний. Также данные образцы распыляют довольно крупные капли и струи воды видные даже невооруженным глазом.

Несмотря на близкое к эталону значение угла распыла у образцов из фотополимерной смолы Durable 110.5°С, данный вид распылителей не может быть полноценно использован вместо эталонного образца из-за всех вышеперечисленных недостатков.