3D printed fuel for small hybrid rocket engines

(1)

Ústav letadlové techniky

3D tištěné palivo pro malé hybridní raketové motory

3D printed fuel for small hybrid rocket engines

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 2021

Viktor HAIS

Studijní program: B2342 TEORETICKÝ ZÁKLAD STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

Studijní obor: Studijní program je bezoborový Vedoucí práce: Ing. Jaromír KUČERA

(2)

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE

I. OSOBNÍ A STUDIJNÍ ÚDAJE

478012 Osobní číslo:

Viktor Jméno:

Hais Příjmení:

Fakulta strojní Fakulta/ústav:

Zadávající katedra/ústav: Ústav letadlové techniky Teoretický základ strojního inženýrství Studijní program:

bez oboru Studijní obor:

II. ÚDAJE K BAKALÁŘSKÉ PRÁCI

Název bakalářské práce:

3D tištěné palivo pro malé hybridní raketové motory Název bakalářské práce anglicky:

3D printed fuel for small hybrid rocket engines Pokyny pro vypracování:

Pro vypracování proveďte:

- Rešerši metod 3D tisku a materiálů pro 3D tisk

- Návrh vhodného materiálu, metody tisku a tvaru pro 3D tištěné palivové zrno - Rešerši alternativního využití 3D tisku pro výrobu palivových zrn

Seznam doporučené literatury:

Dle pokynů vedoucího práce.

Jméno a pracoviště vedoucí(ho) bakalářské práce:

Ing. Jaromír Kučera, ústav letadlové techniky FS

Jméno a pracoviště druhé(ho) vedoucí(ho) nebo konzultanta(ky) bakalářské práce:

Termín odevzdání bakalářské práce: 10.06.2021 Datum zadání bakalářské práce: 30.04.2021

Platnost zadání bakalářské práce: _____________

___________________________

prof. Ing. Michael Valášek, DrSc.

podpis děkana(ky)

Ing. Robert Theiner, Ph.D.

podpis vedoucí(ho) ústavu/katedry

Ing. Jaromír Kučera

podpis vedoucí(ho) práce

III. PŘEVZETÍ ZADÁNÍ

Student bere na vědomí, že je povinen vypracovat bakalářskou práci samostatně, bez cizí pomoci, s výjimkou poskytnutých konzultací.

Seznam použité literatury, jiných pramenů a jmen konzultantů je třeba uvést v bakalářské práci.

.

Datum převzetí zadání Podpis studenta

(3)

Prohl´ aˇ sen´ı

Prohlaˇsuji, ˇze jsem bakaláˇrskou práci vypracoval samostatnˇe pod dohledem svého vedouc´ıho práce a ˇze jsem uvedl veˇskeré pouˇzité informaˇcn´ı zdroje.

V Praze 9. 6. 2021

...

HAIS Viktor

(4)

Podˇ ekov´ an´ı

T´ımto dˇekuji Ing. Kuˇcerovi za pˇr´ınosné konzultace, klidné veden´ı práce a po- vzbuzován´ı v dalˇs´ı práci jak radami, tak návrhy na zlepˇsen´ı.

Taktéˇz dˇekuji kolegovi V´ıtˇezslavu Putnovi za pˇr´ıjemný ˇcas strávený u testovac´ıho stanoviˇstˇe.

Chtˇel bych podˇekovat i svému bl´ızkému okol´ı za trpˇelivost, kterou prokázalo pˇri poslouchán´ı jiˇz nˇekolikrát vyˇrˇcených zaj´ımavost´ı, na které jsem pˇri pr˚ubˇehu své práce narazil.

(5)

N´azev pr´ace:

3D tiˇstˇené palivo pro malé hybridn´ı raketové motory

Autor: Viktor Hais

Studijn´ı program: Teoretický základ strojn´ıho inˇzenýrstv´ı Druh práce: Bakaláˇrská práce

Vedouc´ı pr´ace: Ing. Jarom´ır Kuˇcera

Ustav letadlov´´ e techniky, Fakulta strojn´ı, Cesk´ˇ e vysoké uˇcen´ı technické v Praze Bibliografické údaje: poˇcet stran: 64

poˇcet kapitol: 5 poˇcet obr´azk˚u: 37 poˇcet tabulek: 16

Abstrakt: Tato práce se zabývá vyuˇzitelnost´ı 3D tisku pro výrobu palivových zrn pro hybridn´ı raketové motory. V rámci práce byla provedena validace navrˇzených ˇreˇsen´ı pro tisk palivových zrn a sta- novena doporuˇcen´ı pro budouc´ı testován´ı.

Kl´ıˇcov´a slova: 3D tisk, hybridn´ı raketov´y motor, ASA, PLA, PA12

Title:

3D printed fuel for small hybrid rocket engines

Author: Viktor Hais

Abstract: This thesis deals with exploitability of 3D printing for manufacturing fuel grains for hybrid rocket engines. Within thesis the validation of proposed so- lutions for 3D printing fuel grains took place, as well as determining recommendations for future testing.

Key words: 3D printing, hybrid rocket engine, ASA, PLA, PA12

(6)

Seznam symbol˚ u pouˇ zit´ ych v textu

znaˇcka jednotka n´azev

F_{M AX} [N] maximáln´ı tah hL [mm] výˇska vrstvy I_S [N ·s·kg⁻¹] specifický impuls

mk [g] koneˇcná hmotnost vzorku/váha zbytk˚u m_p [g] poˇcáteˇcn´ı hmotnost vzorku

O/F [1] pomˇer okysliˇcovadla k palivu

p₀ [M P a] poˇc´ateˇcn´ı tlak v n´adrˇzi na okysliˇcovadlo

# [-] ˇc´ıslo vzorku

# [-] aritmetick´y pr˚umˇer

ν [%] spalnost

ABS [-] Acrylonitrile Butadiene Styrene ASA [-] Acrylic Styrene Acrylonitrile CAM [-] Computer Aided Manufacturing

DLP [-] Digital Light Processing FDM [-] Fused Deposition Modeling

FFF [-] Fused Filament Fabrication HDPE [-] High-Density Polyethylene

HIPS [-] High Impact Polystyrene HRM [-] hybridn´ı raketov´y motor MSLA [-] maskovan´a stereolitografie

PETG [-] Polyethylene Terephtalate modified with Glykol

PLA [-] Polyactic Acid

(7)

PP [-] Polypropylen

RM [-] raketov´y motor

SLA [-] stereolitografie

SLS [-] Selective Laser Sintering

(8)

Obsah

1 Uvod´ 10

2 Raketov´e motory 11

2.1 Na tuh´e palivo . . . 11

2.2 Na kapaln´e palivo . . . 11

2.3 Hybridn´ı raketov´e motory . . . 12

2.3.1 HRM kolegy Putny . . . 13

2.3.2 Paliva pro HRM . . . 13

2.3.2.1 Polymern´ı paliva . . . 14

2.3.2.2 Paliva na b´azi pryskyˇric . . . 14

2.3.2.3 Paliva na b´azi parafin˚u . . . 15

2.3.3 Pr˚uˇrezov´a charakteristika palivov´ych zrn . . . 16

3 3D tisk 17 3.1 Druhy 3D tisku . . . 18

3.1.1 FDM/FFF . . . 18

3.1.2 Fotopolymerace . . . 19

3.1.3 SLS . . . 21

3.1.4 Porovn´an´ı metod 3D tisku . . . 23

3.2 Materi´aly pro 3D tisk . . . 24

3.2.1 PLA (FDM/FFF) . . . 24

3.2.2 ABS (FDM/FFF) . . . 24

3.2.3 PETG (FDM/FFF) . . . 25

3.2.4 ASA (FDM/FFF) . . . 25

(9)

OBSAH OBSAH

3.2.5 Nylon (FDM/FFF, SLS) . . . 26

3.2.6 PP (FDM/FFF) . . . 26

3.2.7 Flexibiln´ı materi´aly (FDM/FFF) . . . 26

3.2.8 HIPS (FDM/FFF) . . . 27

3.2.9 Kompozitn´ı materi´aly (FDM/FFF) . . . 27

3.2.10 Resiny (SLA, MSLA, DLP) . . . 27

3.3 Moˇznosti vyuˇzit´ı 3D tisku pro mal´e HRM . . . 28

3.3.1 Tisk palivov´ych zrn . . . 28

3.3.2 Formy pro odléván´ı palivových zrn . . . 31

3.3.3 Výztuhy pro parafinová palivová zrna . . . 34

3.3.4 Nepˇr´ım´e vyuˇzit´ı . . . 35

4 Experimentáln´ı ˇcást 37 4.1 3D tiˇstˇená paliva . . . 37

4.1.1 F´aze 1 - Konvenˇcn´ı vs aditivn´ı v´yroba . . . 38

4.1.1.1 ASA . . . 38

4.1.1.2 Nylon PA6 . . . 39

4.1.1.3 Nylon PA12 . . . 40

4.1.1.4 PLA . . . 41

4.1.1.5 HDPE . . . 42

4.1.1.6 Zhodnocen´ı . . . 42

4.1.2 F´aze 2 - Ovlivˇnuj´ıc´ı parametry . . . 43

4.1.2.1 V´yˇska vrstvy 0,12mm . . . 43

4.1.2.2 V´yˇska vrstvy 0.3mm . . . 44

4.1.2.3 Zhodnocen´ı . . . 44

4.1.3 F´aze 3 - Tvar zrna . . . 45

4.1.3.1 Loukot’ Dˇerovan´a . . . 45

4.1.3.2 Loukot’ . . . 47

4.1.3.3 Spir´ala . . . 48

4.1.3.4 Zhodnocen´ı . . . 49

4.1.4 F´aze 4 - Fin´ale . . . 50

(10)

OBSAH OBSAH

4.1.4.1 ASA, loukot’ . . . 50

4.1.4.2 Zhodnocen´ı . . . 51

4.2 Optimalizace 3D tisku . . . 53

4.3 Odléván´ı parafinových zrn . . . 53

4.4 Zhodnocen´ı experiment´aln´ı ˇc´asti . . . 55

5 Z´avˇer 56

(11)

1 Uvod ´

3D tisk je v souˇcasnosti dynamicky rozv´ıjej´ıc´ı se výrobn´ı metoda. Jej´ı rozvoj má na svˇedom´ı zvyˇsován´ı dostupnosti aditivn´ı výroby i pro studenty, kterým se otev´ıraj´ı nové technologické postupy produkce.

3D tisk pˇredstavuje potenciál pro zdokonalen´ı výkon˚u studentských hybridn´ıch raketových motor˚u, protoˇze umoˇzˇnuje i pro malé rozmˇery palivových zrn vytváˇret tvarovˇe sloˇzité pr˚uˇrezové charakteristiky, které pˇri správném návrhu mohou ovlivnit výkon HRM.

Práce si klade za c´ıl prozkoumat vyuˇzit´ı 3D tisku pro oblast výzkumných hybridn´ıch raketových motor˚u, zejména pak pˇri tvorbˇe palivových zrn.

(12)

2 Raketov´ e motory

Raketové motory (dále RM) se ˇrad´ı mezi tzv. reaktivn´ı pohony, tedy pohony fuguj´ıc´ı na Newtonovˇe tˇret´ım pohybovém zákonˇe - zákonu akce a reakce. RM existuje nˇekolik druh˚u, od spalovac´ıch pˇres nukleárn´ı po iontové. Pˇredstavme si základn´ı principy fungován´ı nˇekolika druh˚u spalovac´ıch RM. [14]

2.1 Na tuh´ e palivo

Raketové motory na tuhé palivo (obr. 2.1) maj´ı palivo i okysliˇcovadlo nam´ıchané v pˇredem urˇceném pomˇeru v palivovém zrnu, kde se obˇe látky nacház´ı v pevném skupenstv´ı. To umoˇzˇnuje pomˇernˇe pˇresnou predikci ˇcasového vývoje tahu, znemoˇzˇnuje vˇsak regulovat tah motoru bˇehem jeho ˇcinnosti. Sm´ıˇsen´ı okysliˇcovadla s palivem jiˇz pˇri výrobˇe vede k nutnosti opatrného zacházen´ı s vyrobeným palivovým zrnem.[14]

Obrázek 2.1: Schéma RM na tuhé palivo [27] [úprava autor]

2.2 Na kapaln´ e palivo

Raketové motory na kapalné palivo (obr. 2.2) vynikaj´ı moˇznost´ı operativn´ı úpravy pomˇeru okysliˇcovadla k palivu (dále O/F) a pohodlnou regulac´ı tahu motoru. Stejnˇe tak umoˇzˇnuj´ı pˇreruˇsit a znovu obnovit chod motoru. Jsou vˇsak d´ıky své komplex-

(13)

2.3. HYBRIDNÍ RAKETOV É MOTORY KAPITOLA 2. RAKETOV É MOTORY

nosti nákladné na výrobu a údrˇzbu - kromˇe ventil˚u uzav´ıraj´ıc´ıch nádrˇze mus´ı být vybavené i ˇcerpadly, která okysliˇcovadlo i palivo dopravuj´ı do spalovac´ı komory. Ta je zpravidla vybavena regenerativn´ım chlazen´ım, protoˇze k hoˇren´ı docház´ı i u jej´ıch stˇen.[14]

Obrázek 2.2: Schéma RM na kapalné palivo [24] [úprava autor]

2.3 Hybridn´ı raketov´ e motory

Hybridn´ı raketové motory (dále HRM) maj´ı jednu ze sloˇzek, at’ uˇz okysliˇcovadlo nebo palivo, v pevné fázi a druhou v kapalné fázi (obr. 2.3). Drtivá vˇetˇsina HRM uchovává v pevném skupenstv´ı palivo. Pomˇer O/F je nekonstantn´ı a závis´ı mj. na tlaku v nádrˇzi s okysliˇcovadlem. HRM jsou na výrobu ménˇe nákladné, neˇz RM na tekuté palivo, protoˇze k chodu nevyˇzaduj´ı ˇzádných ˇcerpadel, nenab´ız´ı vˇsak takovou variabilitu pˇri regulován´ı tahu. Zároveˇn se mohou chlubit vyˇsˇs´ı bezpeˇcnost´ı d´ıky skupenstv´ı paliva a jeho oddˇelen´ı od okysliˇcovadla.[14]

Obrázek 2.3: Schéma hybridn´ıho RM [26] [úprava autor]

(14)

KAPITOLA 2. RAKETOV É MOTORY 2.3. HYBRIDNÍ RAKETOV É MOTORY

2.3.1 HRM kolegy Putny

Obr´azek 2.4: ˇRez CAD modelem HRM kolegy V´ıtˇezslava Putny [render autor]

Raketový motor zkonstruovaný V´ıtˇezslavem Putnou (obr. 2.4), který slouˇzil k mˇeˇren´ı experimentáln´ı ˇcásti, je oznaˇcován jako MK8. Sestává z mˇedˇené trysky (b), která je um´ıstˇená v ochranném návleku (a), kterým procház´ı chlad´ıc´ı médium. Ve spalovac´ı komoˇre (d) se na vizualizaci nacház´ı ˇsestikanálové palivové zrno (e). Ke spalovac´ı komoˇre je pˇridˇelaná dvojice ˇsrouben´ı. Prvn´ı je um´ıstˇené kolmo na osu spalovac´ı komory a slouˇz´ı k pˇripevnˇen´ı tlakové mˇerky (c). Druhé, zadn´ı ˇsrouben´ı (g), je vyuˇz´ıváno k pˇripojen´ı nádrˇze s okysliˇcovadlem a od spalovac´ı komory ho oddaluje jednoduchý injektor (f). Ochranný návlek i zadn´ı ˇsrouben´ı jsou ke spalovac´ı komoˇre pˇripevnˇeny ˇsestic´ı ˇsroub˚u.

2.3.2 Paliva pro HRM

Kl´ıˇcovým parametrem ovlivˇnuj´ıc´ım návrh palivových zrn pro HRM je regresn´ı rychlost paliva. Regresn´ı rychlost je veliˇcina definovaná jako rychlost, se kterou se palivo v pevném skupenstv´ı mˇen´ı na plyn. V nˇekterých zdroj´ıch se nazývá rychlost´ı hoˇren´ı, coˇz je vˇsak ponˇekud nesprávný pojem, nebot’ k pˇr´ımému hoˇren´ı docház´ı u RM na tuhé palivo. Korektn´ımi a uˇz´ıvanými alternativami k tomuto pojmu jsou mj. rychlost pyrolýzy, sublimaˇcn´ı rychlost nebo ablaˇcn´ı rychlost. K hoˇren´ı totiˇz ne- docház´ı na povrchu palivového zrna, ale v mezn´ı vrstvˇe, která se tvoˇr´ı nad povrchem palivového zrna. [7]

Zaj´ımavým parametrem paliva je i jeho hustota, nebot’ Ciolkovského rovnice (2.1) dává pˇri urˇcován´ı zmˇeny rychlosti do pomˇeru hmotnost rakety pˇred a po proveden´ı manévru. [21]

(15)

∆v =v_elnm_poˇ_c´_ateˇ_cn´ı

m_v´_ysledn´_a; (2.1)

Vyˇsˇs´ı hustota paliva je tedy pro pohyb rakety pˇr´ınosem.

2.3.2.1 Polymern´ı paliva

Polymern´ı paliva jsou konvenˇcn´ım zástupcem paliv pro hybridn´ı raketové motory. Typickým zástupcem tˇechto paliv je HTPB, který se uˇzivá napˇr´ıklad v rodinˇe suborbitáln´ıch raketoplánu SpaceShipTwo.[5] Pˇri hoˇren´ı polymern´ıch paliv (obr. 2.5) docház´ı k pyrolýze pevného palivového zrna, tedy sublimaci spojené se zmˇenou struktury látky. Paliva patˇr´ıc´ı do této skupiny se vyznaˇcuj´ı snadnou výrobou a dobrou mechanickou odolnost´ı. [10][19]

Obr´azek 2.5: Mechanismus hoˇren´ı vˇetˇsiny polymern´ıch paliv [10][´uprava autor]

2.3.2.2 Paliva na b´azi pryskyˇric

Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, významnou veliˇcinou pro návrh palivových zrn je regresn´ı rychlost. V posledn´ı dobˇe prob´ıhaj´ı experimenty s palivy na základˇe pryskyˇric, které se samy o sobˇe právˇe vysokou regresn´ı rychlost´ı vyznaˇcuj´ı. Jejich dalˇs´ı nespornou výhodou je moˇznost pˇri výrobˇe do paliva pˇrim´ıchat dalˇs´ı aditiva, napˇr´ıklad

(16)

KAPITOLA 2. RAKETOV É MOTORY 2.3. HYBRIDNÍ RAKETOV É MOTORY

okysliˇcovadla, coˇz m˚uˇze vést ke zvýˇsen´ı tahu. Vlastnosti tˇechto paliv lze vˇsak ovlivnit uˇz jen pomˇerem mezi pryskyˇric´ı a tvrdidlem, takˇze se stejnými sloˇzkami, pouze s jiným pomˇerem, lze dosáhnout odliˇsných výsledk˚u. [19]

2.3.2.3 Paliva na b´azi parafin˚u

Paliva na bázi parafin˚u skýtaj´ı oproti pryskyˇriˇcným a polymern´ım ˇradu výhod.

Kromˇe n´ızké ceny a vysoké regresn´ı rychlosti nab´ız´ı zejména netoxiˇcnost a s n´ı spojenou bezpeˇcnost. ˇRada výhod je vˇsak vykoupena hlavn´ı nevýhodou - kˇrehkost´ı paliva. Ta m˚uˇze krom pot´ıˇz´ı pˇri manipulaci zp˚usobit i praskliny v palivovém zrnˇe pˇri procesu tuhnut´ı. [10]

Parafinová paliva maj´ı m´ırnˇe odliˇsný mechanismus hoˇren´ı oproti polymern´ım nebo pryskyˇriˇcným paliv˚um, jak je zˇrejmé z obrázku 2.6. V mezn´ı vrstvˇe nedocház´ı k pˇr´ımému zplyˇnován´ı paliva, nýbrˇz k postupnému pˇrechodu pˇres kapalnou fázi. Z té se oddˇeluj´ı kapénky, které reaguj´ı v zónˇe bohaté na okysliˇcovadlo. Docház´ı tedy zároveˇn k hoˇren´ı odpaˇreného paliva i poletuj´ıc´ıch kapének, coˇz pˇrisp´ıvá k vysokým regresn´ım rychlostem. [7]

Velmi slibným zástupcem tˇechto paliv jsou paliva zaloˇzená na parafinu SASOL 0907. [10]

Obrázek 2.6: Mechanismus hoˇren´ı nezbedného parafinu [10][úprava autor]

(17)

2.3.3 Pr˚ uˇ rezov´ a charakteristika palivov´ ych zrn

U palivových zrn pro HRM a RM na tuhá paliva je pr˚uˇrezová charakteristika urˇcuj´ıc´ı pro ˇcasový pr˚ubˇeh tahu. Jelikoˇz obˇe zm´ınˇené skupiny RM maj´ı velmi omeze- nou nebo ˇzádnou moˇznost regulován´ı tahu za chodu motoru, je správný návrh tvaru zrna zásadn´ı pro správný pr˚ubˇeh mise. V raketových motorech na tuhá paliva je t´ım, ˇze zrno obsahuje palivo i okysliˇcovadlo, moˇzné udrˇzet pomˇer O/F konstantn´ı, a t´ım udrˇzet i konstantn´ı regresn´ı rychlost paliva. Odhadován´ı ˇcasového pr˚ubˇehu tahu je proto u tˇechto motor˚u snazˇs´ı a provˇeˇrené, jak je patrné z obrázku 2.7. [4]

Obrázek 2.7: Pˇrehled vlivu poˇcáteˇcn´ıho tvaru palivového zrna pro RM na tuhá paliva na pr˚ubˇeh tahu s informativn´ı hodnotou prostorového vyuˇzit´ı spalovac´ı komory. Hustota ˇsrafován´ı roste s regresn´ı rychlost´ı paliva [4] [úprava autor]

U hybridn´ıch raketových motor˚u ale nen´ı O/F pomˇer konstantn´ı, regresn´ı rychlost se proto mˇen´ı a takto jednoznaˇcný pˇrehled vlivu tvaru zrna na tah nen´ı moˇzné stanovit. Vˇzdy bude kromˇe tvaru zrna záviset i na objemu okysliˇcovadla v nádrˇzi a tlaku ve spalovac´ı komoˇre. Vˇseobecnˇe se vˇsak dá ˇr´ıci, ˇze s plochou hoˇren´ı roste i tah motoru.

(18)

3 3D tisk

3D tisk zaˇz´ıvá v posledn´ıch letech zásadn´ı boom. Aˇz do roku 2009 drˇzela patent na (mezi amatérskými tiskaˇri) nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı metodu 3D tisku, FDM, americká spoleˇcnost Stratasys. Po skonˇcen´ı zmiˇnovaného patentu se 3D tisk, do té doby fi- nanˇcnˇe nákladný a dostupný pouze pro vˇetˇs´ı firmy, zaˇcal rozˇsiˇrovat d´ıky vˇetˇs´ı kon- kurenci na trhu i mezi laickou veˇrejnost. Velkou zásluhu na tom má projekt RepRap, který pˇredstavil svˇetu ideu sebereplikuj´ıc´ıch 3D tiskáren, tedy tiskáren, které tisknou souˇcástky na své klony. Z idey RepRapu vyrostl i jeden z nejznámˇejˇs´ıch výrobc˚u 3D tiskáren na svˇetˇe – Prusa Research. V praˇzských Holeˇsovic´ıch se momentálnˇe nacház´ı tisková farma s nˇekolika stovkami tiskáren, které si tisknou své vlastn´ı d´ıly. [12]

Po rozvoji FDM tisku se svého rozletu doˇckal i VAT polymerový tisk, napˇr´ıklad DLP. Metoda, poprvé popsána roku 1987 v souˇcasné dobˇe tˇeˇz´ı z rozvoje displej˚u s vysokým rozliˇsen´ım. Pˇri DLP tisku se materiál, který je na bázi vytvrditelné pryskyˇrice, spéká vrstvu po vrstvˇe vˇetˇsinou UV záˇren´ım. K vytvrzován´ı byly zprvu pouˇz´ıvány projektory emituj´ıc´ı svˇetlo správné vlnové délky, které ale v posledn´ıch letech mohly být nahrazeny právˇe LCD displeji vysokého rozliˇsen´ı. Pˇri MSLA tisku se pak displej pouˇz´ıvá jako maska, která umoˇzˇnuje pr˚uchod UV svˇetla pouze do m´ıst, kde je zapotˇreb´ı. [22]

D´ıky pˇrekotnému vývoji elektrických komponent se tiskárny nejen tˇechto zm´ınˇených metod v posledn´ıch letech staly obl´ıbeným doplˇnkem d´ılny nejednoho domác´ıho ku- tila.

(19)

3.1. DRUHY 3D TISKU KAPITOLA 3. 3D TISK

3.1 Druhy 3D tisku

Pˇredstav´ıme si hlavn´ı metody 3D tisku, které jsou svou cenou dostupné pro ˇsirokou veˇrejnost a maj´ı potenciál být vyuˇzité pro potˇreby vývoje, validace ˇci chodu studentských hybridn´ıch raketových motor˚u.

3.1.1 FDM/FFF

Fused Deposition Modeling (FDM) neboli Fused Filament Fabrication (FFF) je metoda prostorového tisku s vyuˇzit´ım termoplast˚u. Jedná se o jednu a tu sa- mou metodu, jen samotný název Fused Deposition Modeling si nechala zapaten- tovat spoleˇcnost Stratasys, FFF je tedy alternativn´ı oznaˇcen´ı, které vˇsak ˇsiroká veˇrejnost pˇr´ıliˇs nepouˇz´ıvá.[12] Materiál se v pevném skupenstv´ı (nejˇcastˇeji formou tiskových strun, posledn´ı dobou se vˇsak zaˇc´ıná prosazovat i tisk z granulátu) protlaˇc´ı vyhˇr´ıvanou tryskou, ve které dojde k jeho zmˇeknut´ı. Tisková hlava s tryskou se pohy- buje, jak je zˇretelné na obrázku 3.1, po pˇredem urˇcené trase nad tiskovou podloˇzkou, která zpravidla bývá také vyhˇr´ıvána, a nechává za sebou stopu v podobˇe vytlaˇceného materiálu, který následnˇe opˇet tuhne, ˇc´ımˇz vzniká pevný objekt. Tisková stopa zpravidla sestává ze stˇen, jak jsou oznaˇcovány krajn´ı linie tisku, udávaj´ıc´ı tvar výrobku, spodn´ıch a vrchn´ıch vrstev, pln´ıc´ıch stejnou roli jako stˇeny, pouze v horizontáln´ım smˇeru, a vnitˇrn´ı výplnˇe. Ta m˚uˇze nabývat mnoha tvar˚u a je generována automaticky CAM softwarem, oznaˇcovaným jako slicer. [28]

Obr´azek 3.1: Sch´ema FFF/FDM tisku[28]

Problém této metody v jej´ım nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ım proveden´ı je prostý fakt, ˇze nemá-li tiskárna (jako ˇze vˇetˇsina komerˇcnˇe dostupných tiskáren nemá, protoˇze na vyhˇr´ıván´ı

(20)

KAPITOLA 3. 3D TISK 3.1. DRUHY 3D TISKU

komory má patent Stratasys[12]) vyhˇr´ıvanou komoru, ve které k tisku docház´ı, stihne pˇredchoz´ı vrstva vychladnout pod teplotu skelného pˇrechodu, pˇri které docház´ı ke zmˇenˇe vnitˇrn´ı struktury materiálu. Jednotlivé vrstvy výrobku mezi sebou tedy ne- maj´ı takovou soudrˇznost, jakou by mˇel výrobek vyrobený z totoˇzného materiálu alternativn´ı cestou, napˇr´ıklad odléván´ım. Zm´ınˇenou anizotropnost výtisk˚u lze mini- malizovat napˇr´ıklad zˇr´ızen´ım vytápˇené komory, coˇz ale pˇrináˇs´ı problémy s chlazen´ım tiskové hlavy a krokových motor˚u. Ty jsou sice ˇreˇsitelné, ale za vynaloˇzen´ı nemalých finanˇcn´ıch prostˇredk˚u. Alternativou budiˇz vytvrzován´ı (ˇz´ıhán´ı) jiˇz vytiˇstˇeného modelu, které se dá provést v bˇeˇzné domác´ı troubˇe. Pokud vˇsak nen´ı provádˇeno za pomoc´ı formy (napˇr´ıklad ze dˇreva), je tˇreba poˇc´ıtat s drobnou zmˇenou rozmˇer˚u modelu po vytvrzován´ı. Tisk touto metodou je vhodný pro rozmˇernˇejˇs´ı výtisky, u kterých nen´ı tˇreba dosahovat pˇr´ıliˇsných detail˚u, orientaˇcn´ı hodnoty pˇresnost´ı jsou kromˇe jiných informac´ı k vidˇen´ı v tabulce 3.1. Testován´ım mechanických vlastnost´ı FDM/FFF tiˇstˇených objekt˚u se ve své bakaláˇrské práci [15] vˇenoval Bc. Jakub Szekely.[28]

FDM tisk m˚uˇze pro správné vytiˇstˇen´ı modelu vyˇzadovat podpˇery, coˇz vede k vyˇsˇs´ı spotˇrebˇe materiálu.

Rozmˇerov´a pˇresnost ±0.5% (tolerance ±0.5 mm) V´yˇska vrstvy ≈ 0,2 mm

Výhody moˇznost tisku jednoho modelu z v´ıce barev ˇci materiál˚u, vhodné pro rozmˇernˇejˇs´ı výtisky

Nevýhody vysoké výˇsky vrstev, pˇri snaze o vysoké detaily nákladnˇejˇs´ı tisk, neˇz pomoc´ı fotopolymerizaˇcn´ıch metod

Tabulka 3.1: Pˇrehled vlastnost´ı FFF/FDM tisku

3.1.2 Fotopolymerace

Fotopolymerizace je proces 3D tisku, kde je fotopolymern´ı pryskyˇrice (dále, vzhledem k ustálenému oznaˇcován´ı mezi tiskaˇrskou komunitou, oznaˇcovaná i jako resin), um´ıstˇená v nádobce s pr˚uhledným dnem. Pod dnem nebo nad vrchem nádobky se nacház´ı zdroj svˇetla správné vlnové délky, který vytvrzuje pryskyˇrici, která se

(21)

vrstv´ı na tiskovou podloˇzku. Neoficiáln´ım standardem mezi tiskárnami tohoto typu je fotopolymern´ı pryskyˇrice vytvrditelná UV svˇetlem o vlnové délce 405nm. Nej- rozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı tˇri podoby fotopolymerizace jsou stereolitografie (SLA), maskovaná stereolitografie (MSLA) a Digital Light Processing (DLP) (obr 3.2). [28]

Obrázek 3.2: Schéma druh˚u fotopolymeraˇcn´ıho tisku [6][úprava autor]

SLA pouˇz´ıvá k vytvrzován´ı pryskyˇrice laserový zdroj svˇetla, jehoˇz paprsek je s pomoc´ı pohyblivého zrcadla dopravován na potˇrebné lokace. Rozliˇsen´ı tedy záleˇz´ı na ˇs´ıˇrce paprsku. MSLA pouˇz´ıvá zdroj svˇetla, který osv´ıt´ı celou tiskovou plochu, v tom mu vˇsak brán´ı LCD obrazovka. Ta zpr˚uhledn´ı své pixely vˇzdy jen na potˇrebných m´ıstech, kde má k vytvrzen´ı doj´ıt. Rozliˇsen´ı tiskárny (tab. 3.2) je závislé na rozliˇsen´ı maskovac´ı obrazovky. [28]

DLP tisk vyuˇz´ıvá jako zdroj polymerizaˇcn´ıho svˇetla projektor. V posledn´ı dobˇe docház´ı k nahrazován´ı projektoru jakoˇzto zdroje svˇetla LCD obrazovkami, coˇz umoˇzˇnuje celkové zmenˇsen´ı rozmˇer˚u stroje a jeho zlevnˇen´ı. Aˇc jde pouze o nahrazen´ı jednoho zdroje svˇetla obdobným, bývá obˇcas takový typ tisku oznaˇcován jako LCD tisk.

V mé bakaláˇrské práci se ale budu drˇzet souhrnného oznaˇcen´ı DLP tisk. Rozliˇsen´ı DLP tisku je pokaˇzdé závislé na rozliˇsen´ı zdroje svˇetla, at’ j´ım je projektor nebo LCD obrazovka. [28]

Výhodou MSLA a DLP tisku oproti SLA (ale i FDM/FFF) tisku je rychlost, s jakou nabývá výrobek své výsledné podoby, protoˇze nedocház´ı k tisku po trase paprsku/tiskové hlavy, ale po celých vrstvách najednou.

(22)

Rozmˇerov´a pˇresnost ± 0.5% (tolerance ±0.15 mm) V´yˇska vrstvy ≈ 0,02 mm

Výhody rozliˇsen´ı tisku, schopnost dosáhnout vysoké úrovnˇe detail˚u

Nevýhody kˇrehkost, nevhodné pro mechanické d´ıly

Tabulka 3.2: Pˇrehled vlastnost´ı fotopolymeraˇcn´ıho tisku

3.1.3 SLS

Selective Laser Sintering (SLS) je formát aditivn´ı výroby, kde se do tiskové vany nanese tenká vrstva (zpravidla 0,1mm) práˇskového materiálu pˇredehˇrátého na teplotu jen o nˇeco málo niˇzˇs´ı neˇz je teplote taven´ı daného materiálu. Na tuto vrstvu zaˇcne c´ılenˇe m´ıˇrit laserový paprsek (obr. 3.3), který jednotlivé ˇcástice zahˇreje, coˇz zajist´ı spékán´ı sousedn´ıch práˇskových ˇcástic k sobˇe – odtud i název celé metody.

Selective Laser Sintering by ˇslo pˇreloˇzit jako Selektivn´ı Spékán´ı Laserem. Poté, co laser dokonˇc´ı svou práci na jedné vrstvˇe se na tiskovou vanu nanese nová vrstva práˇskového materiálu a celý proces se opakuje. Nespeˇcený prach z˚ustává aˇz do konce celého tiskového bˇehu na svém m´ıstˇe a aˇz po ukonˇcen´ı tisku se odsává zpˇet do zásobn´ıku. Bˇehem tisku tak nespeˇcený materiál m˚uˇze slouˇzit jako podpora pro dalˇs´ı vrstvy, coˇz je nespornou výhodou (tab. 3.3) této metody.[28]

Obr´azek 3.3: Sch´ama SLS [28]

(23)

Rozmˇerov´a pˇresnost ±0.3% (tolerance ±0.3 mm) V´yˇska vrstvy ≈ 0,1mm

Výhody vhodné pro mechanicky namáhané a pohyblivé d´ıly, nevyˇzaduje podpˇery, výteˇcné mechanické vlastnosti

Nev´yhody

vysoká cena metody, podobných mechanických vlastnost´ı lze dosáhnout FDM/FFF tiskem pˇri správném nastaven´ı

Tabulka 3.3: Pˇrehled vlastnost´ı SLS tisku

(24)

3.1.4 Porovn´ an´ı metod 3D tisku

FDM/FFFfotopolymeraceSLS Rozmˇerová pˇresnost±0.5%(tolerance±0.5mm)±0.5%(tolerance±0.15mm)±0.3%(tolerance±0.3mm) Výˇska vrstvy≈0,2mm≈0,02mm≈0,1mm Výhody moˇznosttiskujednohomodeluz v´ıcebarevˇcimateriál˚u,vhodné prorozmˇernˇejˇs´ıvýtisky rozliˇsen´ıtisku,schopnost dosáhnoutvysokéúrovnˇe detail˚u

vhodnépromechanicky namáhanéapohyblivéd´ıly, výteˇcnémechanickévlastnosti Nevýhody

vysokévýˇskyvrstev,pˇrisnazeo vysokédetailynákladnˇejˇs´ıtisk, neˇzpomoc´ıfotopolymerizaˇcn´ıch metod kˇrehkost,nevhodnépromecha- nickéd´ıly vysokácenametody,podobných mechanickýchvlastnost´ılze dosáhnoutFDM/FFFtiskem pˇrisprávnémnastaven´ı

Tabulka 3.4: Pˇrehled vlastnost´ı r˚uzn´ych druh˚u 3D tisku

(25)

3.2. MATERI ´ALY PRO 3D TISK KAPITOLA 3. 3D TISK

3.2 Materi´ aly pro 3D tisk

Tato sekce obsahuje popis rozˇs´ıˇrených materiál˚u pro 3D tisk. Zkratky v závorkách za názvy zp˚usob˚u tisku, ve kterých je moˇzné je vyuˇz´ıt. Teploty tiskové hlavy a podloˇzky se vztahuj´ı k FDM/FFF tisku a jedná se o pˇribliˇzné hodnoty, zmiˇnované ˇcistˇe pro pˇredstavu ˇctenáˇre. Pro teploty tisku nad 240 ^◦C je vˇetˇsinou zapotˇreb´ı finanˇcnˇe nákladnˇejˇs´ı vybaven´ı. Konkrétn´ı teploty tisku se liˇs´ı výrobce od výrobce.

3.2.1 PLA (FDM/FFF)

PLA (Polylactic acid) je polyester z rostlinných materiál˚u, který je biologicky rozloˇzitelný. Jedná se o nejjednoduˇsˇs´ı materiál na tisk s n´ızkým bodem tán´ı (okolo 175 ^◦C), a tak je právˇe kv˚uli svým tiskovým vlastnostem a n´ızké cenˇe obl´ıben zejména mezi zaˇc´ınaj´ıc´ımi tiskaˇri. Zároveˇn pˇri tisku neuvolˇnuje toxické výpary. Hod´ı se zejména k tisku pohledových model˚u, tedy objekt˚u, u kterých jde o vzhled, niko- liv o mechanické vlastnosti. Výtisky z PLA nen´ı vhodné umist’ovat do venkovn´ıho prostˇred´ı, jelikoˇz nen´ı odolný v˚uˇci vyˇsˇs´ım teplotám (pˇri 60 ^◦C docház´ı k mˇeknut´ı materiálu) a UV záˇren´ı. [1][25]

Základem tohoto materiálu je ˇskrob z kukuˇrice, cukrové tˇrtiny ˇci ˇrepy. PLA je opravdu recyklovatelným materiálem, jak se dozv´ıte na propagaˇcn´ıch letác´ıch takˇrka vˇsech výrobc˚u filamentu, ovˇsem pouze v pr˚umyslových kompostárnách, ve kterých teploty ˇsplhaj´ı pˇres 80^◦C. Kompostován´ı v domác´ıch podm´ınkách se nedoporuˇcuje, nebot’ nejen, ˇze se materiál nerozloˇz´ı, ale nav´ıc hroz´ı kontaminace p˚udy plastovými mikroˇcásticemi.[1][25]

Doporuˇcen´a teplota trysky: 215^◦C prvn´ı vrstva, 210^◦C ostatn´ı vrstvy Doporuˇcen´a teplota podloˇzky: 60 ^◦C

3.2.2 ABS (FDM/FFF)

ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) je materiál vhodný k technickým aplikac´ım, napˇr´ıklad tisku mechanicky namáhaných d´ıl˚u. Tisk ABS je ovˇsem zrádný v silném kroucen´ı v pr˚ubˇehu tisku a zejména v uvolˇnován´ı toxických látek v podobˇe

(26)

KAPITOLA 3. 3D TISK 3.2. MATERI ´ALY PRO 3D TISK

výpar˚u. Stále se ˇrad´ı mezi cenovˇe ménˇe nároˇcné materiály, mimo tiskaˇrskou oblast se ABS pouˇz´ıvá napˇr´ıklad k výrobˇe LEGO kostek nebo výrobˇe d´ıl˚u do automobilového pr˚umyslu. Má vˇsak nevýraznou odolnost proti UV záˇren´ı, a proto se nedoporuˇcuje pro venkovn´ı aplikace.[1][25]

Doporuˇcen´a teplota trysky: 255^◦C

Doporuˇcen´a teplota podloˇzky: 100 ^◦C, vˇetˇs´ı objekt vyˇzaduje vyˇsˇs´ı teplotu

3.2.3 PETG (FDM/FFF)

PETG (Polyethylene Terephthalate modifikovaný Glykolem) je materiál kombi- nuj´ıc´ı vˇetˇsinu výhod PLA a ABS. Nab´ız´ı vysokou houˇzevnatost, sluˇsnou tepelnou odolnost a mechanickou pevnost pˇri zachován´ı pˇr´ıvˇetivé ceny a snadné tisknutelnosti.

PETG zaˇc´ın´a mˇeknout pˇri cirka 80 ^◦C, vydrˇz´ı tedy i vˇetˇsinu venkovn´ıch aplikac´ı.

Jak by název mohl vypov´ıdat, jedná se o materiál pˇr´ıbuzný PET, tedy materiálu nejznámˇejˇs´ıho pro výrobu lahv´ı pro uskladnˇen´ı tekutin. Oproti základn´ımu PET (který je taktéˇz tisknutelný, ovˇsem podstatnˇe obt´ıˇznˇeji a bez ˇzádných benefit˚u) je modifikovaný pˇridán´ım glykolu – odtud tedy p´ısmeno G v názvu materiálu. Glykol upravuje vlastnosti PET pro menˇs´ı kˇrehnut´ı a snazˇs´ı tisk. [1][25]

Doporuˇcen´a teplota trysky: 230^◦C prvn´ı vrstva, 240^◦C ostatn´ı vrstvy Doporuˇcen´a teplota podloˇzky: 85 ^◦C prvn´ı vrstva, 90 ^◦C ostatn´ı vrstvy

3.2.4 ASA (FDM/FFF)

ASA (Acrylic Styrene Acrylonitrile) je povaˇzován za nástupce ABS a odstraˇnuje, nebo alespoˇn zm´ırˇnuje vˇetˇsinu jeho nedostatk˚u. V porovnán´ı se svým pˇredch˚udcem uvolˇnuje pˇri tisku ménˇe ˇskodlivých (a zapáchavých) výpar˚u, lépe odolává UV záˇren´ı, má zvýˇsenou teplotn´ı odolnost (zaˇc´ıná mˇeknout aˇz pˇri 93 ^◦C) a je nenároˇcnˇejˇs´ı na tisk. To vˇse ho ˇcin´ı ideáln´ım kandidátem pro tisk technických souˇcástek ˇci souˇcástek pro venkovn´ı pouˇzit´ı. Výhodnou vlastnost´ı ASA je rozpustnost v acetonu, ˇcehoˇz se dá vyuˇz´ıt k vyhlazován´ı výtisku ˇci zvýˇsen´ı soudrˇznosti mezi vrstvami.[25]

Doporuˇcen´a teplota trysky: 260^◦C

Doporuˇcen´a teplota podloˇzky: Prvn´ı vrstva – 105 ^◦C, ostatn´ı vrstvy – 110 ^◦C.

(27)

3.2. MATERI ´ALY PRO 3D TISK KAPITOLA 3. 3D TISK

3.2.5 Nylon (FDM/FFF, SLS)

Nylon (Polyamid) je resistentn´ı materiál vyuˇzitelný hlavnˇe pˇri tisku mechanicky namáhaných d´ıl˚u, jakými mohou být i ozubená kola, jelikoˇz nepodléhá tak silné abrazi, ako ostatn´ı materiály. Pˇri správném tisku se vyznaˇcuje skvˇelou adhez´ı mezi vrstvami. Nylon má vˇsak své silné stránky vyváˇzené silnými nedostatky. Svou sil- nou hygroskopiˇcnost´ı, tedy schopnost´ı pohlcovat vlhkost (aˇz 10 % své hmotnosti bˇehem 24 hodin), se ˇcin´ı nároˇcným na skladován´ı, které by mˇelo prob´ıhat ve vzdu- chotˇesné nádobˇe se suˇs´ıc´ım aparátem nebo pohlcovaˇcem vlhkosti. Mimo to se pˇri tisku silnˇe krout´ı, k dostán´ı tedy ˇcasto nebývá ve své ˇcisté podobˇe, ale s pˇridanými slouˇceninami, omezuj´ıc´ımi kroutivost. Vyráb´ı se v nˇekolika variantách, napˇr´ıklad PA6 ˇci PA12.[1][25]

Doporuˇcen´a teplota trysky: 250^◦C Doporuˇcen´a teplota podloˇzky: 90 ^◦C

3.2.6 PP (FDM/FFF)

PP (Polypropylen) je lehký a houˇzevnatý materiál. Jeho hlavn´ı devizou je ale chemická odolnost, kterou vykazuje v˚uˇci zásadám, kyselinám a organickým roz- pouˇstˇedl˚um. Nav´ıc je vhodný pro styk s potravinami, cenovˇe se ovˇsem ˇrad´ı k nároˇcným materiál˚um. Mimo to nelze opomenout jeho mizernou pˇrilnavost k tiskové ploˇse.[25]

3.2.7 Flexibiln´ı materi´ aly (FDM/FFF)

O mechanických vlastnostech flexibiln´ıch materiál˚u vypov´ıdá mnohé uˇz oznaˇcen´ı jejich kategorie. Tu obvykle dˇel´ıme na TPE (Thermoplastic Elastomer) a TPU (Thermoplastic Polyurethane), i kdyˇz právˇe ono rozdˇelen´ı je m´ırnˇe sporné. Ve své podstatˇe je totiˇz TPU jakýmsi podtypem TPE, jak by se dalo odvodit z jejich an- glických názv˚u, nebot’ polyuretan je elastomer. Kromˇe názvu se vˇsak liˇs´ı i tvrdost´ı, coˇz je zásadn´ı parametr – ˇc´ım tvrdˇs´ı je flexibiln´ı materiál, t´ım snáze se tiskne, ovˇsem je ménˇe flexibiln´ı, a t´ım jde lehce proti podstatˇe svého vyuˇzit´ı.[1][25]

(28)

KAPITOLA 3. 3D TISK 3.2. MATERI ´ALY PRO 3D TISK

Doporuˇcen´a teplota trysky: 230 - 245 ^◦C (v z´avislosti na tvrdosti filamentu a znaˇcce).

Doporuˇcen´a teplota podloˇzky: 60 - 75 ^◦C (v z´avislosti na velikosti objektu, vˇetˇs´ı modely obvykle vyˇzaduj´ı vyˇsˇs´ı teplotu)

3.2.8 HIPS (FDM/FFF)

HIPS (High Impact Polystyrene) je kauˇcukem obohacený polystyren. Pro své materiálové vlastnosti snese pˇrirovnán´ı s ABS, má vˇsak niˇzˇs´ı smrˇstivost. Hlavn´ı výhodou tohoto materiálu je rozpustnost v bˇeˇznˇe dostupném ˇredidlu, d-limonenu – hod´ı se tak zejména pro tisk podpˇer sloˇzitých struktur model˚u tiˇstˇených z jiných materiál˚u. Hotový výtisk se pak jednoduˇse vloˇz´ı do láznˇe z d-limonenu a podpory se rozpust´ı. [1][25]

3.2.9 Kompozitn´ı materi´ aly (FDM/FFF)

Jako kompozitn´ı se oznaˇcuj´ı filamenty zpravidla na bázi PLA, do kterých je pˇrim´ıchávaný kovový, dˇrevˇený nebo tˇreba uhl´ıkový práˇsek. Oproti základn´ımu ma- teriálu, tedy vˇetˇsinou uˇz tak dost nesoudrˇznému PLA, se vyznaˇcuje horˇs´ı vzájemnou pˇrilnavost´ı vrstev a t´ım pádem i nevalnou mechanickou odolnost´ı celého výtisku.

Slouˇz´ı tak prakticky výhradnˇe jako materiál k tisku designových výrobk˚u, kde slouˇz´ı jako imitace daného materiálu. V posledn´ıch letech se rozmáhá i výroba filamentu s elektrickou vodivost´ı (aditivem bývá uhl´ık), který vˇsak snese jen niˇzˇs´ı proudy, nebo feromagnetického filamentu.[1][25]

Doporuˇcená teplota trysky: 190-220 ^◦C (záleˇz´ı na typu filamentu) Doporuˇcená teplota podloˇzky: 60 ^◦C

3.2.10 Resiny (SLA, MSLA, DLP)

Kapalné pryskyˇrice jsou materiály citlivé na svˇetelné vlnˇen´ı, které je, jedná-li se o správné vlnové délky, zpravidla 405nm, vytvrzuje (docház´ı k tuhnut´ı resin˚u).

(29)

3.3. MO ˇZNOSTI VYU ˇZIT´I 3D TISKU PRO MAL ´E HRM KAPITOLA 3. 3D TISK

To vˇsak na seznam zdroj˚u vytvrzovac´ıho svˇetla ˇrad´ı i sluneˇcn´ı záˇren´ı, coˇz je fakt, který je nutné vz´ıt v úvahu pˇri manipulaci s resiny a obsluhován´ı SLA/MSLA/DLP tiskárny. [25]

Hlavn´ım rozd´ılem oproti tiskovému materiálu pro FDM/FFF tisk je neexistence r˚uzných materiál˚u. Resin˚u se sice na trhu nacház´ı nˇekolik druh˚u, jedná se vˇsak vˇzdy pouze o ten samý základn´ı materiál, fotopolymern´ı pryskyˇrici, který je vylepˇsován aditivy, at’ uˇz slouˇz´ıc´ımi ke zmˇenˇe vizuáln´ıch nebo mechanických vlastnost´ı hotového výrobku. [25]

”Resiny jsou obvykle sloˇzeny ze tˇr´ı sloˇzek:

1. J´adro resinu (monomery and oligomery)

2. Fotoiniciátory - molekuly reaguj´ıc´ı na UV svˇetlo, které zahajuj´ı proces tuhnut´ı 3. Aditiva - pˇr´ısady, které mˇen´ı barvu a vlastnosti resinu“ [25]

Resiny vytváˇr´ı nepˇr´ıjemné výpary, a i pˇri styku s pokoˇzkou mohou zp˚usobit reakci tˇela. Pˇri práci s nimi je tˇreba nosit ochranné vybaven´ı a postupovat velice opatrnˇe. [25]

3.3 Moˇ znosti vyuˇ zit´ı 3D tisku pro mal´ e HRM

3.3.1 Tisk palivov´ ych zrn

C´ılem testován´ı tiˇstˇených paliv bylo ovˇeˇrit, zda jsou 3D tiˇstˇená paliva pˇr´ınosná pro malé hybridn´ı raketové motory a zda dokáˇz´ı konkurovat konvenˇcnˇe vyrábˇeným paliv˚um. Kaˇzdý typ paliva byl zkouˇsen tˇremi vzorky. Testován´ı 3D tiˇstˇeného paliva bylo rozdˇeleno do nˇekolika fáz´ı:

1. Porovnán´ı 3D tiˇstˇených paliv s konvenˇcnˇe vyrábˇenými palivy 2. Ovˇeˇren´ı ovlivnˇen´ı chodu motoru rozd´ılnou výˇskou vrstvy 3. Experimentáln´ı testován´ı tvar˚u zrna

4. Fin´aln´ı test

”V´ıtˇeze”daných ˇcást´ı, tedy materiál/tvar/výˇska vrstvy urˇcené pro pozdˇejˇs´ı tes- tován´ı ve fázi 4 urˇcil maximáln´ı dosaˇzený tah zjiˇstˇený po vyhlazen´ı namˇeˇrených dat. Pokud byla maxima namˇeˇrená maxima obdobná, rozhodovala o v´ıtˇezi dané

(30)

KAPITOLA 3. 3D TISK 3.3. MO ˇZNOSTI VYU ˇZIT´I 3D TISKU PRO MAL ´E HRM

ˇcásti dalˇs´ı kritéria, jako napˇr´ıklad spalnost, pr˚umˇerný specifický impuls nebo reprodukovatelnost test˚u.

V prvn´ı fázi bylo zkoumáno, nakolik se 3D tiˇstˇená paliva mohou mˇeˇrit s palivy soustruˇzenými z tyˇcových polotovar˚u. Pro testy byly na základˇe práce [9] vybrány materiály PLA, ASA a Nylon pro jejich namˇeˇrené regresn´ı rychlosti. Podle uvedené studie se jako nejslibnˇejˇs´ı jev´ı ASA, který je tˇesnˇe následován nylonem. Pomˇernˇe pˇrekvapivˇe se ve stejné studii um´ıstilo kompozitn´ı PLA s hlin´ıkovým prachem, který je sám o sobˇe velice hoˇrlavý a byl uvaˇzován jako pˇr´ısada do pryskyˇriˇcných paliv, aˇz za ˇcistým PLA. Konkrétn´ı typ nylonu ve studii nen´ı specifikován, bylo proto rozhodnuto o otestován´ı typ˚u PA6 a PA12. Vˇsechny vzorky byly tiˇstˇeny se stejnou výˇskou vrstvy 0,3mm a pro eliminován´ı ovlivˇnuj´ıc´ıho parametru barviva byly tiˇstˇeny v pˇrirozených barvách daného materiálu (jedinou tvorbu tvoˇril materiál ASA, který v jiné neˇz ˇcerné barvˇe nebyl dostupný). Z konvenˇcnˇe vyrábˇených paliv byly k tes- tován´ı v prvn´ı fázi vybrány ty vyrobené z materiál HDPE. Vˇsechny vzorky byly pro nastaven´ı stejných podm´ınek ve tvaru trubky s rozmˇery uvedenými na obrázku 3.4.

Obr´azek 3.4: Rozmˇery zrna [autor]

Druhá ˇcást testován´ı byla zamˇeˇrena na významný ovlivˇnuj´ıc´ı parametr 3D tiˇstˇených výrobk˚u - výˇsku vrstvy. Jak je patrné z obrázku 3.5, výˇska vrstvy ovlivˇnuje výsledný tvar výrobku. Pˇri tisku svislých ˇci pouze m´ırnˇe naklonˇených stˇen palivových zrn by vˇsak tento parametr nemusel tvoˇrit významný rozd´ıl v povrchu stˇen. Výˇska vrstvy je pˇritom nepˇr´ımo úmˇerná ˇcasu tisku, coˇz m˚uˇze v pˇr´ıpadˇe, ˇze se prokáˇze zanedba- telný vliv výˇsky vrstvy na tahovou kˇrivku znamenat významnou ˇcasovou úsporu pˇri tisku. Pro ovˇeˇren´ı hypotézy bylo rozhodnuto o otestován´ı vzork˚u z PLA stejného tvaru jako ve fázi jedna, jen s výˇskou vrstvy 0,12mm. Ty pak budou porovnány se vzorky PLA z prvn´ı ˇcásti.

(31)

Obrázek 3.5: Vliv výˇsky vrstvy na povrch tiˇstˇeného objektu. Výˇska vrstvy (a) je 0,2mm, výˇska vrstvy (b) je 0,1mm. [29][úprava autor]

Faktorem, ovlivˇnuj´ıc´ım tah motoru, by mohla být i barviva obsaˇzená ve fila- mentech. Vliv barviv vˇsak nen´ı obsaˇzen v této závˇereˇcné práci a jeho výzkum by si vyˇzádal významné finanˇcn´ı a ˇcasové zdroje.

Ve tˇret´ı ˇcásti byly zkoumány 3 tvary zrn. Spirála (na obrázku 3.6 vlevo), dˇerovaná loukot’ (uprostˇred) a loukot’ (vpravo). Tvar zrn byl urˇcen experimentálnˇe s d˚urazem na maximalizován´ı ploch hoˇren´ı a demonstraci schopnost´ı 3D tisku. Napˇr´ıklad spirála, vzniklá rotac´ı dvou kruˇznic o pr˚umˇeru 7 mm okolo osy válce na rameni 5 mm s rozteˇc´ı 30 mm, nab´ız´ı poˇcáteˇcn´ı plochu hoˇren´ı 10107,05mm². Kdyby zm´ınˇené dvˇe kruˇznice nevytvoˇrily tvar zrna ˇsroubovitou rotac´ı, ale prostým pˇr´ımým pohybem (napˇr´ıklad by do tyˇce byly vyvrtány dvˇe d´ıry), byla by poˇcáteˇcn´ı plocha hoˇren´ı 7912,81 mm². Pouhou zmˇenou trajektorie kruˇznic tedy doˇslo k nár˚ustu plochy hoˇren´ı o 27 %. Zbylá dvˇe zrna, loukot’ a loukot’ dˇerovaná, byla vytvoˇrena pomoc´ı stejného náˇcrtku, ale u dˇerované loukotˇe doˇslo k propojen´ı jednotlivých kanálk˚u a tedy zvýˇsen´ı poˇcáteˇcn´ı plochy hoˇren´ı. To by dle odhad˚u mˇelo vést k rychlejˇs´ımu odhoˇren´ı materiálu a vzniku jediné plochy hoˇren´ı. Vˇsechny tvary zrn byly navrˇzeny tak, aby se minimalizovalo riziko zhroucen´ı se stˇredových ˇcást´ı do sebe, které by mohlo vést k uspán´ı trysky motoru.

Obrázek 3.6: Pr˚uˇrezy zrn testovaných ve fázi 3 [autor]

Ctvrt´ˇ a fáze byla vyhrazena pro test jediného typu zrna, vzniklého na základˇe jiˇz

(32)

dˇr´ıve uvedených kritéri´ı z materiálu vybraném ve fázi 1, s výˇskou vrstvy z fáze 2 a tvarem z fáze 3.

3.3.2 Formy pro odl´ ev´ an´ı palivov´ ych zrn

Nepˇr´ımou metodou uˇzit´ı 3D tisku k výrobˇe palivových zrn m˚uˇze být výroba fo- rem pro jejich odléván´ı. Tento postup je vhodný zejména pro výrobu zrn na základˇe resin˚u nebo parafin˚u. Pro tyto potˇreby byla navrˇzena jednoduchá forma (obr. 3.7) pro gravitaˇcn´ı odléván´ı optimalizovaná pro výrobu 3D tiskem. Sestává ze dvou sy- metrických ˇcást´ı pláˇstˇe (na vizualizaci zbarvené modˇre a ˇzlutˇe), mezi které se vloˇz´ı dno formy (oranˇzovˇe) a tato sestava se zafixuje pomoc´ı sady ˇsroub˚u rozm´ıstˇených po celé výˇsce formy, aby doˇslo k dokonalému utˇesnˇen´ı spoj˚u. Do obvodové ˇcásti formy se vloˇz´ı jej´ı jádro (zelenˇe), které se svým stˇred´ıc´ım kol´ıkem zasune do otvoru ve dnˇe formy. Jádro je nakonec zaaretováno proti neˇzádouc´ım pohyb˚um pojistnou deskou (ˇcervenˇe). ˇSroub, kterým je pojistná deska spojena s jádrem, pln´ı stˇred´ıc´ı funkci, nen´ı tedy nutné ho pˇr´ıliˇs utahovat, naopak oba krajn´ı ˇsrouby vyv´ıjej´ı pˇr´ıtlak, aby se jádro nevysunulo ze dna formy.

Obrázek 3.7: ˇRez CAD modelu formy na odléván´ı palivových zrn [render autor]

(33)

Závitová spojen´ı s pojistnou deskou mus´ı být pevná a prostorovˇe nenároˇcná, bylo proto rozhodnuto o pouˇzit´ı tepelnˇe lisovaných závitových vloˇzek. V prostorách, které to umoˇzˇnovaly, bylo dosaˇzeno spojen´ı pomoc´ı matic zapuˇstˇených do poziˇcn´ıch dˇer. Jádro formy je, kv˚uli nutnosti ho z výsledného odlitku vyjmout, kuˇzelovité se sklonem cca 1,5^◦. Pro cenovou nároˇcnost i materiálovou odolnost byl vybrán tisk metodou FFF. Vysoká výˇska vrstvy, dosaˇzitelná touto metodou, nekoresponduje s nutnost´ı dokonale hladkých stˇen formy, jinak by hrozilo napˇr. zaseknut´ı jádra formy v jiˇz hotovém odlitku. Volba materiálu tedy mus´ı vz´ıt v potaz i jeho schopnost proj´ıt post processingem. V úvahu pˇripadaj´ı zejména materiály vyhladitelné rozpouˇstˇedly, jako napˇr´ıklad ABS (aceton), PETG (toluen) nebo ASA (toluen). Alternativnˇe je moˇzné pro jádro formy, které vyˇzaduje hladkost ze vˇsech souˇcást´ı formy nejv´ıce, zvolit jiný typ tisku. V úvahu pˇripadá SLS nebo DLP tisk. Obˇe metody maj´ı výraznˇe niˇzˇs´ı výˇsku vrstvy, neˇz FFF tisk. Pˇred odléván´ım mus´ı být na vnitˇrn´ı stranu formy aplikován separátor, tedy látka, která usnadn´ı vyjmut´ı odlitku, ideálnˇe doporuˇcený výrobcem odlévané látky. Výrobce pryskyˇrice k odléván´ı téˇz vydává doporuˇcen´ı k maximáln´ı výˇsce vrstvy odlévané najednou. Zrno nem˚uˇze být vzhledem k potˇrebˇe kuˇzelovitosti jádra formy odléváno vcelku, forma má tedy pouze poloviˇcn´ı výˇsku, neˇz jakou má m´ıt fináln´ı palivové zrno, a tak se celý proces odléván´ı mus´ı dˇelat nadvakrát.

Vytvrzován´ı pryskyˇrice je exotermická reakce, pˇri n´ıˇz je mnoˇzstv´ı uvolnˇeného tepla závislé na pomˇeru pryskyˇrice s vytvrzovadlem. Pryskyˇriˇcná smˇes se, pokud dojde k dodrˇzen´ı vˇsech postup˚u doporuˇcených výrobcem, odlévá za teploty pˇribliˇznˇe odpov´ıdaj´ıc´ı teplotˇe samotné pryskyˇrice pˇred sm´ısen´ım s vytvrzovadlem, konstantnˇe vˇsak docház´ı k zahˇr´ıván´ı tuhnouc´ı hmoty. [13] Zpˇetnˇe proto muselo doj´ıt k opti- malizaci tvaru formy (3.8) pro úˇcely odléván´ı pryskyˇrice, aby se mohla forma pˇri odléván´ı um´ıstit do chlad´ıc´ıho média, ve kterém by k vytvrzován´ı docházelo. Opti- malizace spoˇc´ıvala v odebrán´ı materiálu z vnˇejˇs´ıch ˇcást´ı pláˇstˇe, aby doˇslo k eliminaci výplˇnového (a tedy vzduchu plného) prostoru mezi vnitˇrn´ı a vnˇejˇs´ı stˇenou výtisku.

(34)

Obrázek 3.8: ˇRez CAD modelu formy na odléván´ı palivových zrn po odlehˇcen´ı [render autor]

Pro dosaˇzen´ı optimáln´ıch vlastnost´ı palivových zrn zaloˇzených na parafinech je vˇsak nutné materiál pˇred odléván´ım zahˇrát na pomˇernˇe vysokou teplotu, pˇri které je pak i odléván. Napˇr´ıklad pro parafin SASOL 0907 byla zjiˇstˇena optimáln´ı teplota 110^◦C, na kterou musel být zahˇrátý po dobu 20 minut, neˇz doˇslo k úplnému rozpuˇstˇen´ı vˇsech granul´ı parafinu. [10] Vzhledem k tomu, ˇze PETG zaˇc´ıná mˇeknout pˇri 80^◦C, nebylo by zcela vhodné zatˇeˇzovat z nˇej vytiˇstˇenou formu vyplnˇen´ım ma- teriálem, který tuto hranici o pár des´ıtek^◦C pˇrekraˇcuje. ˇReˇsen´ım daného problému by mohlo být vytiˇsten´ı poˇzadovaného tvaru zrna (patˇriˇcné výˇsky, i u této metody mus´ıme, z obdobných d˚uvod˚u jako u tiˇstˇené formy, sáhnout k rozdˇelenému zrnu) a z nˇej vytvoˇrit silikonový negativ. Ten poslouˇz´ı pro pozdˇejˇs´ı odléván´ı. Silikon má výbornou teplotn´ı i mechanickou odolnost, proto by z nˇej vyrobená forma mˇela ustát i opakované odléván´ı zrna bez závaˇzné deformace.

(35)

3.3.3 V´ yztuhy pro parafinov´ a palivov´ a zrna

Paliva zaloˇzená na parafinech maj´ı obˇr´ı potenciál d´ıky své vysoké regresn´ı rychlosti. Trp´ı vˇsak na kˇrehkost, která vede k nutnosti extrémn´ı opatrnosti pˇri manipulaci s nimi, aby zrna nedoˇsla poˇskozen´ı. Jiˇz od prvn´ıch výzkum˚u jejich moˇzného vyuˇzit´ı pˇricház´ı výzkumn´ıci s moˇznostmi vyztuˇzen´ı hotového palivového zrna. Ze slibných metod zmiˇnme zejména výztuhu jutovou tkaninou nebo 3D tiˇstˇenou strukturou. [17]

[3]

Jutová textilie vyniká n´ızkou ploˇsnou hustotou 270g·m⁻²a vysokou nasákavost´ı.

Ovˇeˇrený postup výroby poˇc´ıtá s nasáknut´ım jutové textilie rozehˇrátým voskem a následným omotán´ım nasáklé textilie okolo hlin´ıkové trubky, která má vnˇejˇs´ı pr˚umˇer totoˇzný s poˇzadovaným vnitˇrn´ım pr˚umˇerem palivového zrna. Poˇcet omotán´ı trubky pak urˇcuje vnˇejˇs´ı pr˚umˇer palivového zrna. [17]

Vyuˇzit´ı jutové textilie má nespornou výhodu ve své materiálové nenároˇcnosti, protoˇze k výrobˇe zpevnˇeného zrna je zapotˇreb´ı pouze bˇeˇznˇe dostupných materiál˚u.

Tady ale výˇcet výhod zm´ınˇené metody konˇc´ı. Na opaˇcnou misku vah mus´ıme poloˇzit nároˇcnou manipulaci, kdy je tˇreba omotávat jeˇstˇe ne zcela ztvrdlou (a t´ım pádem ne zcela vychladlou) kompozitn´ı strukturu okolo tyˇce, jistou neexaktnost pˇri urˇcován´ı vnˇejˇs´ıho pr˚umˇeru palivového zrna, nemoˇznost výroby sloˇzitˇejˇs´ıch vnitˇrn´ıch tvar˚u zrna a v neposledn´ı ˇradˇe je nutné nezapom´ınat, ˇze v radiáln´ım smˇeru nedoˇslo v pali- vovém zrnu k takˇrka ˇzádnému zpevnˇen´ı. Vˇsechny zmiˇnované nedostatky pˇri pouˇzit´ı jutové tkaniny jako výztuhy ˇreˇs´ı aplikován´ı 3D tiˇstˇené struktury pro zpevnˇen´ı zrna.

Nejjednoduˇs´ı tvorba 3D tiˇstˇené výztuhy paliva vede pˇres vymodelován´ı poˇzadovaného tvaru zrna, jeho vloˇzen´ı do CAM software, nastaven´ı poˇctu stˇen, spodn´ıch i vrchn´ıch vrstev na nulu a zvolen´ı správného typu výplnˇe. T´ım dojde k tisku pouze výplˇnové struktury v hranic´ıch poˇzadovaného tvaru. Typ výplnˇe je nutné volit podle nˇekolika parametr˚u:

1. mus´ı mˇenit svou strukturu ve vˇsech 3 os´ach

2. mus´ı umoˇznit parafinu zatéct do vˇsech poˇzadovaných prostor 3. mus´ı dosahovat co nejvyˇsˇs´ı mˇerné pevnosti

(36)

Pouˇz´ıvaný CAM software, PrusaSlicer 2.3.0, je zaloˇzený na programu SLic3r a nab´ız´ı tak stejné druhy výplnˇe, jako jsou uvedené na obr. 3.9.

Obrázek 3.9: Typy výplnˇe v CAM programu SLIC3R [23] [úpravy autor, Bc. Marek Hais]

Vˇsechna tˇri kritéria splˇnuje nejlépe výplˇn (j) oznaˇcovaná jako gyroid. [3] [15]

Alternativou k uˇz´ıván´ı generovatelné výplnˇe by bylo pˇr´ımé modelován´ı struktury, které by umoˇznilo m´ıt vˇetˇs´ı kontrolu nad výsledným tvarem.

Takto pˇripravenou výztuˇz lze um´ıstit do silikonové formy ze sekce 3.3.2 s apli- kovaným separátorem a zal´ıt parafinem.

3.3.4 Nepˇ r´ım´ e vyuˇ zit´ı

Pˇr´ınos 3D tisku pro výrobu palivových zrn nen´ı jediným moˇzným vyuˇzit´ım aditivn´ı výroby v dané oblasti. Validace motoru MK8 probˇehla na testovac´ım stanoviˇsti (3.10) navrˇzeném v kooperaci s V´ıtˇezslavem Putnou. Jako základ poslouˇzilo nˇekolik typ˚u hlin´ıkových profil˚u, které byly ve funkˇcn´ı celek spojeny na m´ıru navrˇzenými 3D tiˇstˇenými souˇcástkami (na vizualizac´ıch modˇre). Aditivn´ı výrobou stvoˇrené souˇcástky byly pouˇzity taktéˇz k upevnˇen´ı mˇeˇr´ıc´ıho tenzometru.

(37)

Obr´azek 3.10: Model testovac´ıho loˇze [render autor]

Vˇsechny ventily na trase veden´ı okysliˇcovadla byly vybaveny armaturou, která umoˇzˇnovala ovládán´ı ventil˚u na dálku. Kaˇzdý ventil, který je souˇcást´ı RM, byl na- pojen pˇres ozubený pˇrevod, slouˇz´ıc´ı ke zvýˇsen´ı kroutic´ıho momentu motoru, na servomotor. Hlavn´ı ventil (obr. 3.11) um´ıstˇený u tlakové lahve, ze které byla plnˇena nádrˇz RM, nebyl ovládán pomoc´ı ozubených kol, ale pomoc´ı ˇremenic typu GT2. Po trase veden´ı ˇremene byla um´ıstˇena nap´ınac´ı kladka pro zajiˇstˇen´ı správného chodu systému. Vzdálené ovládán´ı podstatnˇe zvyˇsuje bezpeˇcnost celého testovac´ıho procesu.

Obr´azek 3.11: Soustava hlavn´ıho ventilu s krokov´ym motorem a ˇremenicemi [render autor]

D´ıky uˇzit´ı technologie FDM tisku bylo moˇzné rychle provádˇet úpravy na testovac´ım stanoviˇsti a pracovat tak na vylepˇsován´ı testovac´ıho stanoviˇstˇe a jeho bezpeˇcnosti s minimáln´ımi finanˇcn´ımi náklady a významnou ˇcasovou úsporou.

(38)

4 Experiment´ aln´ı ˇ c´ ast

4.1 3D tiˇ stˇ en´ a paliva

Pro kaˇzdý typ palivového zrna byly kv˚uli z´ıskán´ı statistického vzorku otes- továny tˇri totoˇzné vzorky. Pˇri jednotlivých testech byla snaha o dodrˇzen´ı totoˇzných podm´ınek. Poˇcátek test˚u byl identický. Do spalovac´ı komory byl z bezpeˇcnostn´ıch d˚uvod˚u puˇstˇen pˇredfuk kysl´ıku, po ˇcasovém odkladu byl pˇriveden proud do zápalnice, která byla um´ıstˇena u injektoru ve zbytc´ıch základn´ıho materiálu paliva (vˇetˇsinou kus˚u filamentu), coˇz vedlo k jej´ımu zaˇzehnut´ı. Toto um´ıstˇen´ı bylo nezbytné zejména pˇri testován´ı zrn komplexn´ıch geometri´ı, nebot’ zajiˇst’ovalo zaˇzehnut´ı vˇsech kanál˚u.

Po ukonˇcen´ı testu a vychladnut´ı motoru doˇslo k odˇsroubov´an´ı trysky a inspekci trysky i spalovac´ı komory, pˇr´ıpadnˇe k sesb´ır´an´ı zbytk˚u paliva.

Pro vˇsechny testovac´ı vzorky plat´ı, ˇze uvádˇené hodnoty hmostnost´ı, a tud´ıˇz i spalnost´ı, je nutné brát s rezervou. Pˇri souˇcasné konfiguraci a um´ıstˇen´ı testovac´ıho stanoviˇstˇe nen´ı moˇzné spolehlivˇe nalézt veˇskeré zbytky po zkuˇsebn´ım bˇehu motoru, a proto jsou zejména hodnoty hmotnost´ı po testu silnˇe oritentaˇcn´ı.

Pro potˇreby vizuáln´ıho porovnáván´ı výkon˚u r˚uzných typ˚u materiál˚u, výˇsek vrstvy ˇci tvar˚u zrn bylo vyuˇzito reprezentativn´ıch vzork˚u daných zrn k vytvoˇren´ı kˇrivek trend˚u tahových charakteristik pˇr´ısluˇsných typ˚u zrn. ˇC´ıselné hodnoty, které jsou vzájemnˇe porovnávány, jsou pak ˇcistým aritmetickým pr˚umˇerem daných hodnot jednotlivých typ˚u zrn.

(39)

4.1. 3D TIˇST ˇEN Á PALIVA KAPITOLA 4. EXPERIMENT ÁLNÍ ˇC ÁST

4.1.1 F´ aze 1 - Konvenˇ cn´ı vs aditivn´ı v´ yroba

4.1.1.1 ASA

Obr´azek 4.1: Pr˚ubˇeh test˚u zrn z materi´alu ASA [graf autor]

Vzorky z materiálu ASA vˇernˇe kop´ıruj´ı své ˇcasové pr˚ubˇehy tahu (obr. 4.1). Zuby u zrna ˇc. 3 jsou ˇcistˇe chybou mˇeˇr´ıc´ı aparatury.

# mp[g] mk[g] ν[%] p0[M P a] FM AX[N] IS[N ·s·kg⁻¹]

01 57.2 0.8 98.60 4.7 120.97 1439.18

02 57.0 1.1 98.07 4.9 124.76 1435.15

03 57.1 0.9 98.42 4.8 120.61 1388.83

# 57.10 0.93 98.37 4.8 122.11 1421.05

Tabulka 4.1: Parametry vzork˚u ASA, 0,3 mm, v´alec

Vzorky z materiálu ASA se vyznaˇcuj´ı (tab. 4.1) vynikaj´ıc´ı spalnost´ı. Pˇri testován´ı dokonce vˇsechny zbytky po hoˇren´ı opustily prostor spalovac´ı komory, ˇc´ımˇz by dle Ciolkovského rovnice (2.1) pˇrispˇely k zvýˇsen´ı pˇr´ır˚ustku rychlosti, jednalo-li by se o pohyb rakety ve vesm´ıru.

(40)

KAPITOLA 4. EXPERIMENT ÁLNÍ ˇC ÁST 4.1. 3D TIˇST ˇEN Á PALIVA

4.1.1.2 Nylon PA6

Obr´azek 4.2: Pr˚ubˇeh testu zrna #06 [kol´aˇz autor]

Po testu prvn´ıho vzorku (#06) z nylonu PA6 bylo vzhledem k destrukci motoru rozhodnuto o vyˇrazen´ı tohoto materiálu z dalˇs´ıho testován´ı. P˚uvodn´ı hypotéza pˇrikládala prohoˇren´ı tlakové mˇerky materiálovým vlastnostem. Vzorky z nylonu PA6 musely být kv˚uli tisknutelnosti tiˇstˇeny z materiálu s pˇr´ımˇes´ı sniˇzuj´ıc´ı kroutivost materiálu pˇri tisku. Sloˇzen´ı této pˇr´ısady vˇsak výrobce neuvád´ı, nen´ı tedy moˇzné urˇcit jej´ı vliv na hoˇren´ı materiálu. Po zpˇetné analýze dat z mˇeˇren´ı ˇcasovˇe pˇredcházej´ıc´ımu testován´ı materiálu ASA vˇsak nen´ı moˇzné vylouˇcit ani chybu mˇeˇr´ıc´ı aparatury. Data z tlakové mˇerky u trysky totiˇz vykazuj´ı stupˇnuj´ıc´ı se nepˇresnost mˇeˇren´ı, pravdˇepodobnˇe tedy doˇslo k jej´ı postupné degradaci vedouc´ı aˇz k jej´ımu zniˇcen´ı. Tlakové mˇerka se uvolnila ze svého ˇsrouben´ı, ˇc´ımˇz doˇslo k otevˇren´ı kanálu pro pr˚uchod plamene.

(41)

4.1.1.3 Nylon PA12

Obr´azek 4.3: Pr˚ubˇeh test˚u zrn z materi´alu nylon PA12 [graf autor]

Zat´ımco zrna 7 a 8 vykazuj´ı (obr. 4.3) podobnˇe hladký pr˚ubˇeh testu (zuby u vzorku 7 jsou zp˚usobeny chybou mˇeˇr´ıc´ı aparatury), vzorek ˇc. 9 vykazuje ve svém chován´ı odchylky od trendu tohoto typu vzork˚u. Pˇribliˇznˇe v páté vteˇrinˇe testu je moˇzné vidˇet, ˇze tahová kˇrivka tohoto zrna na krátký okamˇzik zpomalila sv˚uj pokles, coˇz má za následek ”odskoˇcen´ı”této kˇrivky od zbylých. Je moˇzné, ˇze toto chován´ı bude souviset s vyˇsˇs´ım poˇcáteˇcn´ım tlakem v nádrˇzi s okysliˇcovadlem, jak je k vidˇen´ı v tabulce 4.2. Alternativn´ım vysvˇetlen´ım je chyba v tenzometrickém ˇclánku. V okol´ı desáté sekundy od poˇcátku záˇzehové sekvence doˇslo k dvoj´ımu pˇricpán´ı trysky, coˇz objasˇnuje propady tahu v daném ˇcase.

# m_p[g] m_k[g] ν[%] p₀[M P a] F_{M AX}[N] I_S[N ·s·kg⁻¹]

07 52.4 7.6 85.50 5.1 119.88 1455.14

08 52.6 3.3 93.73 5.0 117.60 1410.44

09 52.6 4.3 91.83 5.4 123.16 1490.95

# 52.53 5.07 90.35 5.2 120.22 1452.18

Tabulka 4.2: Parametry vzork˚u nylon PA12, 0,3 mm, v´alec

(42)

4.1.1.4 PLA

Obr´azek 4.4: Pr˚ubˇeh test˚u zrn z materi´alu PLA [graf autor]

# mp[g] mk[g] ν[%] p0[M P a] FM AX[N] IS[N ·s·kg⁻¹]

10 68.4 29.1 57.46 4.9 76.41 939.77

11 68.5 13.9 79.71 4.7 96.05 1178.73

12 68.4 12.8 81.29 5.1 104.62 1246.30

# 68.43 18.60 72.82 4.9 92.36 1121.60

Tabulka 4.3: Parametry vzork˚u PLA, 0,3 mm, v´alec

Vˇsechny 3 vzorky tohoto typu zrna sd´ıl´ı stejný trend tahové kˇrivky (obr. 4.4), pouze u zrna ˇc. 10 tahová kˇrivka nedosahuje obdobných hodnot, jako u ostatn´ıch zrn. Toto zrno neprohoˇrelo aˇz ke kraj˚um, ale zachovalo si celistvost vnˇejˇs´ıho povrchu, coˇz se odráˇz´ı i na n´ızké spalnosti konkrétn´ıho vzorku (tab. 4.3). Je moˇzné, ˇze doˇslo ke zborcen´ı zrna a pˇriˇskrcen´ı pr˚uchodu okysliˇcovadla.

(43)

4.1.1.5 HDPE

Vzorky HDPE, pouˇzité pro porovnán´ı aditivn´ı a konvenˇcn´ı výroby, otestoval v rámci své práce ”Vývoj a validace hybridn´ıho raketového motoru”kolega V´ıtˇezslav Putna. Jelikoˇz nejsou pˇredmˇetem mé práce, neuvád´ım jejich konkrétn´ı parametry ˇci tahové kˇrivky, které jsou k dohledán´ı v [11], sekce 4.2.

Pr˚umˇerné parametry a graf trendu chován´ı tohoto vzorku jsou ke zhlédnut´ı v tabulce 4.7 a na obrázku 4.5.

4.1.1.6 Zhodnocen´ı

Obrázek 4.5: Trendy tahových kˇrivek vzork˚u z fáze 1 [graf autor]

Z výˇse uvedeného grafu 4.5 je zˇrejmé, ˇze si jsou materiály ASA, nylon PA12 a HDPE svým chován´ım velice podobné. PLA oproti ostatn´ım materiál˚um dosahuje zhruba tˇr´ıˇctvrtinových výkon˚u.

(44)

materi´al m_p[g] m_k[g] ν[%] p₀[M P a] F_{M AX}[N] I_S[N ·s·kg⁻¹]

ASA 57.10 0.93 98.37 4.8 122.11 1421.05

nylon PA12 52.53 5.07 90.35 5.2 120.22 1452.18

PLA 68.43 18.60 72.82 4.9 92.36 1121.60

HDPE 53.01 16.51 68.85 5.1 119.63 1475.09

Tabulka 4.4: Pr˚umˇern´e parametry prvn´ı f´aze

Za v´ıtˇeze prvn´ı fáze byl urˇcen materiál ASA. Má sice drobnˇe niˇzˇs´ı pr˚umˇerný spe- cifický impuls (tab. 4.4), neˇz nylon PA12, disponuje ale vyˇsˇs´ım pr˚umˇerným maximem tahu a spalnost´ı. Testy vzork˚u z ASA nav´ıc prokázaly vysokou m´ıru reprodukova- telnosti.

4.1.2 F´ aze 2 - Ovlivˇ nuj´ıc´ı parametry

4.1.2.1 V´yˇska vrstvy 0,12mm

Obr´azek 4.6: Pr˚ubˇeh test˚u zrn o v´yˇsce vrstvy 0,12 mm [graf autor]

Tento typ zrna má n´ızkou reprodukovatelnost a nepˇredv´ıdatelnost ve svém chován´ı (obr. 4.6). Zrna 14 a 15 maj´ı podobnou tahovou kˇrivku, jej´ıˇz nábˇeh ale nemá opod-

(45)

statnˇen´ı ve tvaru zrna. Zat´ımco zrno 13 zanechalo roztavené zbytky, coˇz vedlo k jeho nadpr˚umˇerné spalnosti (tab. 4.5), ˇc´ısla 14 a 15 vykazuj´ı známky zrna zborceného do sebe, obdobnˇe, jako zrno 10 (PLA, 0,3 mm, válec).

# m_p[g] m_k[g] ν[%] p₀[M P a] F_{M AX}[N] I_S[N ·s·kg⁻¹]

13 69.7 13.8 80.20 5.0 100.16 1222.50

14 69.4 18.8 72.91 5.0 77.41 1047.32

15 69.6 15.2 78.16 4.7 83.36 1064.16

# 69.57 15.93 77.09 4.9 86.97 1111.33

Tabulka 4.5: Parametry vzork˚u PLA, 0,12 mm, v´alec

4.1.2.2 V´yˇska vrstvy 0.3mm

K porovnán´ı výˇsek vrstvy byla za výˇsku vrstvy vybrána jiˇz testovaná zrna 10-12, jejichˇz namˇeˇrené hodnoty je moˇzné vidˇet v sekci 4.1.1.4.

4.1.2.3 Zhodnocen´ı

Obrázek 4.7: Trendy tahových kˇrivek vzork˚u z fáze 2 [graf autor]