Отправить статью по E-mail Влияние технологических режимов на упруго-прочностные характеристики FDM-печатных образцов
- Авторы: Низина Т.А., Низин Д.Р., Миронов Е.Б., Мартьянова А.В.
- Выпуск: Том 10, № 3 (2022)
- Раздел: Статьи
- Статья получена: 14.12.2024
- Статья одобрена: 14.12.2024
- URL: https://ogarev-online.ru/2311-2468/article/view/273182
- ID: 273182
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Изучено влияние технологических режимов (температура, скорость и ориентация печати) на изменение упруго-прочностных показателей FDM-печатных образцов. Фиксировались предел прочности и модуль упругости при растяжении, относительное удлинение при разрыве и максимальной растягивающей нагрузке. Выявлены оптимальные режимы печати с учетом ориентации FDM-печати.
Полный текст
Современное строительство развивается с высокой скоростью, внедряя новые технологии и материалы. Одним из перспективных направлений развития строительной отрасли является применение аддитивных технологий (3D-печати), основанной на создании объекта путем послойного наращивания материала. Модели, получаемые таким образом, могут применяться как для изготовления опытных образцов, так и готовых изделий [1]. Особенностью данной технологии является то, что она позволяет решить проблемы энергозатратности, низкой производственной эффективности, ресурсоемкости и безопасности на строительной площадке [2]. При этом большая часть потенциала аддитивных технологий заключается в достижении повышенных эксплуатационных характеристик готовой продукции, значительной экономии сырья, возможности изготовления конструкций сложной геометрии без усложнения производственного процесса, мобильности производства, а также в ускоренных темпах строительства [3–5].
Аддитивные технологии представлены несколькими способами печати, которые различаются исходным материалом и принципом его нанесения [3]. Среди основных методов печати выделяют следующие: технология послойного наплавления (FDM), стереолитография (SLA), цифровая обработка светом (DLP), выборочное спекание слоев (SLS), трехмерная печать (3DP), производство ламинированных объектов (LOM) и технология PolyJet [6; 7]. Каждый способ печати имеет свои особенности применения, достоинства и недостатки, которые необходимо учитывать при производстве изделий.
Наиболее популярным является FDM-метод, заключающийся в том, что термопластичная полимерная нить (филамент) подается в экструзионную головку 3D-принтера, в которой нагревается до вязкотекучего состояния и выдавливается через сопло диаметром 0,1–0,3 мм по заданной траектории на неподвижное основание. Последующие слои укладываются на предыдущие и затвердевают по мере охлаждения. При этом послойную ориентацию укладки расплавленной полимерной нити можно изменять в соответствии с выбранным алгоритмом, регулируя анизотропию свойств в образце [8; 9]. Качество изделия, получаемого таким образом будет зависеть от ориентации нити расплава (продольно и параллельно направлению нагружения образца, а также вдоль направления наращивания) и растра (0°, 90°, 0°/90°, 45°/-45°) [10]. Однако при использовании аддитивных технологий довольно сложно предсказать, как поведет себя изделие при действии нагрузок различного вида, что вызывает еще больший интерес со стороны исследователей и академических сообществ.
Цель исследования заключается в оценке влияния технологических режимов FDM-печати на физико-механические характеристики формируемых образцов. Печать осуществлялась с помощью 3D-принтера FlyingBear Ghost 5 при использовании филамента на основе пластика PETG (полиэтилентерефталат, модифицированный гликолем). Для печати использовались базовые настройки в программе (слайсере) Ulnimaker Cura 4.10.0. Толщина филамента – 1,75 мм; толщина слоя (стенка, крышка, заполнение) – 0,2 мм; сопло – 0,4 мм. Формируемые в процессе печати элементы представляли собой образцы-восьмерки (тип 2) по ГОСТ 11262-2017.
Уровни первых двух варьируемых факторов (температура состава и скорость печати) приведены в таблице 1. Третий варьируемый параметр характеризовал собой ориентацию расположения образцов в процессе печати – горизонтальная, вертикальная или боковая (рисунок 1). План экспериментального исследования представлен в табл. 2.
Таблица 1. Уровни варьирования исследуемых факторов в кодированных величинах и их числовые значения
| Варьируемые факторы |
| Уровни варьирования |
|
|
| -1 | 0 | +1 |
x1 | Температура состава, °С | 225 | 235 | 245 |
x2 | Скорость печати, мм/сек. | 25 | 40 | 55 |
Рис. 1. Схема FDM-печати при изготовлении образцов с учетом их ориентации в процессе печати: 1 – горизонтальная; 2 – вертикальная; 3 – боковая
Таблица 2. План экспериментального исследования
Номер серии образцов | Варьируемые факторы | ||||
в кодируемых величинах | в реальных величинах | ||||
x1 | x2 | Температура состава, °С | Скорость печати, мм/сек. | Ориентация печати | |
1 | -1 | -1 | 225 | 25 | горизонтальная |
2 | -1 | 1 | 225 | 55 | |
3 | 1 | -1 | 245 | 25 | |
4 | 1 | 1 | 245 | 55 | |
5 | 0 | 0 | 235 | 40 | |
6 | -1 | -1 | 225 | 25 | вертикальная |
7 | -1 | 1 | 225 | 55 | |
8 | 1 | -1 | 245 | 25 | |
9 | 1 | 1 | 245 | 55 | |
10 | 0 | 0 | 235 | 40 | |
11 | -1 | -1 | 225 | 25 | боковая |
12 | -1 | 1 | 225 | 55 | |
13 | 1 | -1 | 245 | 25 | |
14 | 1 | 1 | 245 | 55 | |
15 | 0 | 0 | 235 | 40 | |
В качестве контролируемых показателей в рамках исследования определяли предел прочности и модуль упругости при растяжении, относительное удлинение при разрыве и максимальной растягивающей нагрузки. Гистограммы изменения упруго-прочностных показателей 3D-печатных образцов представлены на рисунке 2, изолинии изменения вышеуказанных показателей в зависимости от варьируемых факторов – на рисунке 3.
Рис. 2. Изменение предела прочности (а) и модуля упругости (б) при растяжении, относительного удлинения при разрыве (г) и достижении образцами максимальных растягивающих нагрузок (в) FDM-печатных материалов в зависимости режимов печати
Рис. 3. Изолинии изменения предела прочности (а, в, д) и модуля упругости (б, г, е) при растяжении FDM-печатных материалов в зависимости от температуры состава и скорости печати для горизонтального (а, б), вертикального (в, г) и бокового (д, е) направлений печати
По результатам проведенного анализа установлено, что наиболее высокие упруго-прочностные показатели достигнуты при боковой ориентации печати (рисунок 2, а, б). Предел прочности при растяжении для экспериментальных образцов, изготовленных по данному режиму, превышает аналогичные показатели для горизонтальной печати на 14 – 59%; модуль упругости – на 14 – 26%.
Формирование образцов в направлении «вертикальная печать» приводит к существенному снижению предела прочности при растяжении, достигающему 20 – 45% (рисунок 2, а). При этом изменение модуля упругости по сравнению с образцами, изготовленными при горизонтальной ориентации печати, не превышает 7% (рисунок 2, б).
Относительное удлинение образцов при максимальном уровне растягивающих нагрузок для горизонтальной и боковой ориентации печати варьируется в интервале от 2,4 до 3,6%, снижаясь для вертикальной печати до 1,2 – 1,9% (рисунок 2, в). Формирование нисходящих ветвей кривых деформирования и, как следствие, увеличение относительного удлинения при разрыве по сравнению с относительным удлинением при достижении максимальных уровней растягивающих нагрузок, зафиксировано только для трех серий образцов (№ 3 – 5, таблица 2) из пятнадцати исследованных. Температура печати в вышеуказанных опытах составляет 235, 245°С, ориентация печати – горизонтальная (рисунок 2, г).
Анализ изолиний изменения предела прочности и модуля упругости при растяжении в зависимости от температуры и скорости FDM-печати свидетельствует о существенных различиях в характере распределения свойств в зависимости ориентационного эффекта (рисунок 3). Так, в случае горизонтальной печати наиболее высокий комплекс прочностных показателей зафиксирован при температуре 245°С и скорости печати 40 – 55 мм/сек (рисунок 3, а, б). Для боковой и вертикальной ориентаций печати, напротив, предел прочности при растяжении повышается при снижении температуры печати до 225°С (рисунок 3, в, д).
Проведенный анализ результатов показал, что в зависимости от ориентации слоя, а также температуры и скорости FDM-печати наблюдается существенное варьирование свойств 3D-печатных образцов, достигающее для предела прочности, модуля упругости при растяжении, относительного удлинения при разрыве и максимальной растягивающей нагрузки (отношение максимального значения к минимальному), соответственно, 2,4, 1,3, 3,3 и 2,8 раз. Дальнейший этап развития данного направления будет связан с расширением числа варьируемых факторов, оказывающих влияние на свойства 3D-печатных образцов, а также оптимизацией технологических режимов, в том числе с учетом используемого филамента.
Об авторах
Т. А. Низина
Автор, ответственный за переписку.
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Д. Р. Низин
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Е. Б. Миронов
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
А. В. Мартьянова
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Список литературы
- Лунева Д. А., Кожевникова Е. О., Калошина С. В. Применение 3D-печати в строительстве и перспективы ее развития // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. – 2017. – № 1. – С. 90-101.
- Денисова Ю. А. Аддитивные технологии в строительстве // Строительные материалы и изделия. – 2018. – № 3. – С. 33-42.
- Зленко М. А., Нагайцев М. В., Довбыш В. М. Аддитивные технологии в машиностроении: пособие для инженеров. – М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. – 220 с.
- Kreiger M. A., MacAllister B. A., Wilhoit J. M., Case M. P. The current state of 3D printing for use in construction // The Proceedings of the 2015 Conference on Autonomous and Robotic Construction of Infrastructure. – Ames, 2015. – P. 149-158.
- Григорьев С. Н., Смуров И. Ю. Перспективы развития инновационного аддитивного производства в России и за рубежом // Инновации. – 2013. – № 10 (180). – С. 76-82.
- Lee J., An L., Chua C. Fundamentals and applications of 3D printing for novel materials // Applied materials today. – 2017. – Vol. 7. – P. 120-133.
- Singh S., Ramakrishna S., Singh R. Material issues in additive manufacturing: a review // Journal of Manufacturing Processes. – 2017. – Vol. 25. – P. 185-200.
- Vaezi M., Seitz H., Yang S. A review on 3D micro-additive manufacturing technologies // Int. J. Adv. Manuf. Tehnol. – 2013. – Vol. 67. – P. 1721-1754.
- Кондрашов С.В., Пыхтин А.А., Ларионов С.А., Сорокин А.Е. Влияние технологических режимов FDM-печати и состава используемых материалов на физико-механические характеристики FDM-моделей (обзор) // Труды ВИАМ. – 2019. – № 10. – С. 34-49.
- Sood A., Ohdar R., Mahapatra S. Parametric appraisal of mechanical property of fused deposition modelling processed parts // Materials & Design. – 2010. – Vol. 31. – Iss. 1. – P. 287-295.
Дополнительные файлы
