Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

VImLab
Идет загрузка
Загрузка
20.05.2022
1338
5
Применение

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

16
Статья относится к принтерам:
Anyform 250-G3

Всем привет. Продолжаем тему с мембранно-поршневым насосом. В этот раз делали сами мембраны.

Целью нашего исследования является разработка технологии изготовления диафрагм мембранно-поршневого насоса из полиуретанов методом свободного литья в силиконовые формы для выполнения ремонта данных насосов.

В мембранно-поршневых насосах зачастую используются два основных вида диафрагм – это а) плоская или б)формованная. Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

а)

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

б)

На основе условий работы мембранно-поршневого насоса задали основные требования к мембранам.Должна быть Твёрдость по Шору, А - от 70 до 90. Температура эксплуатации - От +18 до +28. Устойчивость к воздействию агрессивных жидкостей - минеральное моторное масло MAXCUT HD SAE 30 и гербицид Лазурит. 

В соответствии с требованиями, сформулированными к материалу мембраны, был проведен обзор имеющихся в настоящий момент на рынке марок литьевых полиуретанов с эластомерными свойствами.Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

Затем чтобы понять, какой из материалов подойдёт для изготовления диафрагмы, мы приступили  к отливке полиуретановых образцов, которая осуществлялась в предварительно изготовленную мягкую силиконовую форму для литья.Использовались всего 3 марки - это PolyFlex 80A, Силагерм 6080, Адваформ Марка 80.Для создания оснастки был сделан образец по по ГОСТ 11262-2017 (ISO 527-2:2012) Пластмассы.

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

В качестве материала изготовления оснастки формы для литья образцов использовался PLA пластик.

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

Сами образцы уже готовы для изготовления формы.

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

Готовая силиконовая форма.

Определение вязкости подготовленной смеси полиуретанового компаунда перед заливкой в форму проводилось на вискозиметре ROTAVISC lo-vi Advanced

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

Время отверждения каждого из представленных полиуретанов для испытаний отличается друг от друга, для чистоты эксперимента по определению вязкости необходимо измерить значения в пределах 15-25% от периода полимеризации. Так для Силагерм 6080 это значение составит 3,25-4,25 мин., для PolyFlex 80A – 3,75-4,75 мин. и для Адваформ Марка 80 это значение будет в пределах 5,5-6 мин. 

В результате измерений были получены графики зависимости вязкости полиуретанов Силагерм 6080, PolyFlex 80A и Адваформ Марка 80 от времени испытания.Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

От вязкости литьевого полиуретанового компаунда зависит проливаемость формы и текучесть, а также возможность выхода пузырей из смеси при дегазации. 

Из полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что наиболее подходящим материалом для литья является полиуретан PolyFlex 80A, поскольку обладает наименьшей вязкостью. Однако следует также учесть различное время жизни рассматриваемых марок полиуретанов. Слишком короткое время жизни не позволяет должным образом продерагазировать материал, что влияет на образование пузырей в образцах и ведет к уменьшению физико-механических свойств полученных отливок. В связи с этим полученные образцы были подвергнуты визуальному анализу на предмет наличия пузырей.

Образцы, изготовленные из полиуретана PolyFlex 80A

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

а – режим №1 (дегазация, отверждение при Т=40-45оС); б – режим №2 (дегазация, отверждение при комнатной температуре); в – режим №3 (без дегазации, отверждение при Т=40-45оС); в – режим №4 (без дегазации, отверждение при комнатной температуре)

Образцы, не подвергнутые предварительной дегазации, имеют множество мелких пузырей по всему сечению. Однако образцы, для которых проводили предварительную дегазацию, также после отливки имеют ярко выраженные крупные пузыри, которые не успели выйти из материала в процессе дегазации из-за слишком малого времени жизни компаунда. Кроме некачественной дегазации материала к отрицательным моментам его использования можно отнести едкий запах, из-за чего в процессе использования требуются средства индивидуальной защиты органов дыхания. К явным достоинствам данного материала можно отнести его прозрачность, что позволяет легко визуально оценивать качество отливок.

Образцы из полиуретана Силагерм 6080

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

а – режим №1 (дегазация, отверждение при Т=40-45оС); б – режим №2 (дегазация, отверждение при комнатной температуре); в – режим №3 (без дегазации, отверждение при Т=40-45оС); в – режим №4 (без дегазации, отверждение при комнатной температуре)

 Время жизни данного полиуретана по сравнению с PolyFlex 80A примерно в 1,5-2 раза выше, что позволило более тщательно продегазировать его, в связи с чем полученные по режимам 1 и 2 образцы получились с меньшим количеством пузырей, а образцы, изготовленные по режимам 3 и 4, схожи по количеству пузырей с аналогичными образцами из PolyFlex 80A. Сам материал практически не прозрачен, имеет молочный оттенок, но визуально наличие пузырей различить возможно. Материал Силагерм 6080 в сравнении с PolyFlex 80A показал себя более технологичным и стабильным. Из явных недостатков, как и у PolyFlex 80A, наблюдается едкий запах, требующий использования средств индивидуальной защиты органов дыхания.

Образцы из полиуретана Адваформ Марка 80

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

а – режим №1 (дегазация, отверждение при Т=40-45оС); б – режим №2 (дегазация, отверждение при комнатной температуре); в – режим №3 (без дегазации, отверждение при Т=40-45оС); в – режим №4 (без дегазации, отверждение при комнатной температуре)

Образцы, полученные по режимам 1 и 2, практически не имеют пузырей, что вероятно связано с высоким временем жизни данного полиуретена: дегазацию материала можно проводить в 2,5-3 раза дольше, чем для полиуретана PolyFlex 80A, и в 1,5-2 раза дольше, чем для полиуретана Силагерм 6080. Образцы, изготовленные по 3 и 4 режиму, продемонстрировали внешний вид, схожий с образами, изготовленными по тем же режимам их двух ранее рассмотренных марок полиуретанов: в них присутствовало множество мелких пузырей. Материал прозрачный, с янтарным оттенком, не имеет резкого запаха, что позволяет работать с ним без средств индивидуальной защиты органов дыхания.

Таким образом, в результате проведенного визуального анализа образцов установлено, что несмотря на самую высокую вязкость, наименьшим количеством пузырей и лучшим качеством отливок обладает полиуретан Адваформ Марка 80 благодаря большому времени жизни.

Измерение твердости образцов производились на поверенном твердомере (дюрометре) TBP-A с аналоговым индикатором. Твердомер оснащен дополнительной стрелкой-фиксатором для измерения эластичности (обратной деформации) полимеров и для фиксации измеренного значения при мгновенных измерениях твердости. Кроме того, оборудование оснащено корпусом с удлинённой гильзой, что позволяет получать измерения повышенной точности.

Твердость каждого образца измерялась в трех точках (в верхней, нижней и средней части образца) по пять измерений в каждой точке с последующим нахождением среднего значения.

В таблице представлены значения твердости трех исследованных марок полиуретановых компаундов, подготовленных по четырем различным режимам: режим №1 – предварительная дегазация смеси, отверждение после заливки при Т=40-45оС; режим №2 – предварительная дегазация смеси, отверждение после заливки при комнатной температуре; режим № 3 – без предварительной дегазации смеси, отверждение после заливки при Т=40-45оС; режим №4 – без предварительной дегазации смеси, отверждение после заливки при комнатной температуре.

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

Таким образом, на основании проведенного исследования твердости можно заключить, что приемлемым для изготовления диафрагм мембранно-поршневых насосов может являться только режим подготовки образцов №2, состоящий из предварительной дегазации полиуретановой смеси в вакуумной камере и последующего отверждения отливки в течение 24 ч. при комнатной температуре.

Испытания на растяжение производились на универсальной испытательной машине И11М. Принцип действия машины основан на преобразовании нагрузки, приложенной к испытываемому образцу, силоизмерительным датчиком в электрический сигнал, изменяющийся пропорционально этой нагрузке. 

Перед испытаниями необходимо измерить толщину и ширину каждого образца в трех сечениях: в центре и на расстоянии около 5 мм от него. Затем вычислить среднее арифметическое полученных значений и занести данные в протокол измерений. На растяжение были испытаны серии образцов, изготовленные по режимам №1 (предварительная дегазация смеси, отверждение отливки при Т=40-45оС) и режиму №2 (предварительная дегазация смеси, отверждение отливки при комнатной температуре).

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

Предел прочности полиуретановых образцов, МПа

Согласно проведенному ранее анализу работы диафрагмы в мембранно-поршневом насосе при обработке соевых культур было установлено, что диаграмма в процессе работы подвергается воздействию минеральных масел, а также различных химических удобрений. Таким образом, для оценки воздействия агрессивных сред на образцы полиуретанов было выбрано три среды: гербицид «Лазурит», фунгицид «Ракурс» и минеральное моторное масло MAXCUT HD SAE 30. 

Оценка стойкости различных марок полиуретановых компаундов к воздействию агрессивных сред проводилась по изменению массы погруженных в данные среды образцов материалов. Перед погружением в среду масса каждого образца была измерена с помощью аналитических весов AND GR-200 с дискретностью измерений 0,0001 г. Испытания проводились в течение 3 недель. Образцы извлекались из среды один раз в неделю и подвергались повторному взвешиванию после просушивания на воздухе в течение 2 часов. Для повторных погружений образцов в испытательные среды после измерений массы каждый раз готовились новые растворы фунгицида и гербицида с целью сохранения реакционной способности данных веществ на максимальном уровне, а минеральное масло подвергалось перемешиванию.Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

Стойкость полиуретанов к воздействию агрессивных сред

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

Среднее значение изменения массы образцов, выдержанных в течение 3 недель в трех различных агрессивных средах, для каждой марки полиуретана

Таким образом, среди исследуемых марок полиуретанов для изготовления диафрагм мембранно-поршневых насосов с точки зрения наилучшей стойкости к воздействию агрессивных сред можно рекомендовать компаунд Адваформ Марка 80, показавший наименьшее изменение массы за время испытания, в среднем составляющее 1,3%.

Представленные в таблице технические и стоимостной показатели материалов позволяют провести полный сравнительный анализ трех различных марок литьевых полиуретанов и выбрать среди них одну для проведения дальнейших исследований по разработке технологии изготовления диафрагмы мембранно-

поршневых насосов

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

Анализ данных, представленных в таблице, позволяет сразу исключить из дальнейшего рассмотрения компаунд PolyFlex 80A, поскольку данный материал продемонстрировал самые низкие механические свойства, имея при этом самую большую стоимость. Две другие марки, Силагерм 6080 и Адваформ Марка 80, нуждаются в более детальном рассмотрении.Таким образом, полиуретан Адваформ Марка 80 по сравнению с полиуретаном Силагерм 6080 обладает более выгодными технологическими свойствами, низкой ценой, более высокой стойкостью к агрессивным средам и близкими механическими свойствами. Поэтому будет использоваться Адваформ Марка 80.

Затем приступили к изготовления литейной формы мембран. Был выбран двухкомпонентный силикон на оловянной основе марки Kremen Mold 30.

Поскольку данный силикон является непрозрачным, было решено изготавливать разъемную форму, состоящую из двух частей. Исходя из известных габаритов диафрагмы был произведен расчет необходимого количества силикона для создания формы. Для создания нижней полуформы потребовалось 350 г силикона, для создания верхней – 550 г. При этом учитывалось, что расстояние от стенки рабочей полости до стенки формы должно быть не менее 5-7 мм – это позволяет минимизировать появление облоя на отливке и обеспечивает качественное соединение полуформ.

Заливка полиуретана в форму должна осуществляться через специальную литниковую систему. Спроектированная литниковая система, состоящая из стояка и питателя.

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

Подготовка силикона перед изготовлением формы состояла из следующих этапов: взвешивание компонентов в необходимой пропорции; смешивание компонентов ручным способом; дегазация смеси в вакуумной камере при давлении 0,1 атм. (процесс контролируется визуально и останавливается в момент прекращения выделения воздушных пузырей на поверхности материала). После сборки опалубки и установки внутрь нее мастер-моделей диафрагмы и питателя вся поверхность формы и моделей обрабатывалась разделительным составом в 4 слоя с перерывами около 5 минут между нанесениями слоев. Далее производилась заливка подготовленного силикона в опалубку. 

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

После изготовления формы в верхней полуформе необходимо сделать выпоры для облегчения выхода воздуха из формы при заливке полиуретанового компаунда, а также для контроля заполнения формы. Выпоры в полуформе изготавливаются специальным инструментом, и имеют диаметр 1-2 мм. Количество и положение выпоров зависит от конфигурации отливки и от типа используемого полимера. В данном исследовании были подготовлены две силиконовые формы, принципиальное различие между которыми заключалось в количестве выпоров. В первой форме было выполнено 10 выпоров по внешнему диаметру отливки и 5 выпоров рядом с центральным отверстием. Во второй форме количество выпоров было увеличено: 20 по внешнему диаметру и 10 рядом с центральным отверстием. Литник в каждой форме был один.Затем производили отливку.

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

Диафрагмы, отлитые в форму с 10 внешними и 5 центральными выпорами

Ввиду очевидно более высокого качества получаемой отливки при использовании увеличенного по высоте стояка было принято решение последующие отливки в форму с увеличенным количеством выпоров (20 по внешнему диаметру, 10 в центре) производить также с использованием такого стояка. Количество распределенных пузырей в отливке, по сравнению с вариантом литья в форму с меньшим количеством выпоров, значительно уменьшилось. В отливке в данном случае присутствует довольно обширная дефектная область, возникая из-за высокой вязкости заливаемого полиуретана. В связи с этим было принято решение произвести еще одну отливку, предварительно уменьшив вязкость компаунда с помощью добавления растворителя. В качестве растворителя был выбран дихлорэтан – хлорорганическое соединение, представляющее собой прозрачную бесцветную жидкость с сильным запахом. Растворитель добавлялся в полиуретан в количестве 5% от общей массы. . Пузыри в детали присутствуют, но в отличии от предыдущих отливок, расположены они не в объеме, а на поверхности, что с точки зрения эксплуатационных характеристик гораздо предпочтительнее. Снижение вязкости материала позволило также произвести более качественную предварительную дегазацию материала, что в свою очередь также являлось фактором повышения качества отливки.

Создание мембран для мембранно-поршневого насоса

Таким образом, на основании выполненной серии отливок можно заключить, что для получения качественной диафрагмы методом свободного литья полиуретана в силиконовую форму необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

1. Форма должна иметь достаточно большое количество выпоров (не менее 20 шт. по внешнему диаметру и не менее 10 шт. в центре).

2. При использовании в качестве материала отливки полиуретанов с высокой вязкостью на уровне 20 Па·с необходимо применять растворитель для понижения вязкости. С этой целью может использоваться дихлорэтан в количестве 5% по массе.

3. При проектировании литейной формы следует предусматривать высокий стояк, соизмеримый с общей высотой самой формы (около 200 мм).

4. Для более равномерного распределения полиуретана в объеме полости при отливке рекомендуется также предусмотреть в будущем второй литник.

Приключения с мембранами ещё не закончились, это только начало, следующая статья будет про мембраны с разными наполнителями.

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

16
Комментарии к статье