О ВЛИЯНИИ СТРУКТУРЫ НА ПРОЧНОСТЬ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТИКОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ 3D-ПЕЧАТИ
Аннотация
Освоение аддитивных технологий производства судовых конструкций подразумевает в том числе обеспечение и контроль качества получаемых изделий. В работе на примере полилактида, поставляемого в форме нити в катушках, исследуется изменение прочности материалов для 3D-прототипирования в процессе изготовления состоящей из волокон ячеистой структуры. Испытания показали, что прочность при плавке практически не меняется, а от плотности заполнения внутреннего объёма зависит немонотонно. Последняя особенность подтверждается конечно-элементным моделированием: с увеличением плотности заполнения уменьшается размер ячейки внутренней структуры, что приводит к возрастанию числа концентраторов напряжений на единицу объёма и, соответственно, к повышению вероятного числа дефектов, попадающих в области концентрации пропорционально квадрату числа ячеек на единицу длины. При дальнейшем (свыше 50 %) увеличении плотности заполнения доля поверхностей сопряжения волокон в общей площади поверхности волокон, на которую передаётся нормальная нагрузка, становятся больше 50 %, и прочность структуры начинает определяться адгезией волокон.Полученные результаты указывают на то, что при невысокой плотности заполнения в процессе изготовления изделий следует контролировать, в первую очередь, механическую прочность волокон и определяемую точностью позиционирования печатающей головки точность их расположения, влияющие на радиусы скругления перегородок между ячейками технологические параметры, при большой плотности заполнения - высоту падения расплава из форсунки экструдера печатающей головки, соотношение времени укладывания волокна и времени его затвердевания, определяющие адгезионное сцепление волокон, а также технологические дефекты, препятствующие адгезии, обращая особое внимание на химический состав поставляемого материала, а также ответственные за старение время и условия его хранения. Перечисленные рекомендации могут быть положены в основу концепции технологического управления прочностью изделий, получаемых методом 3D-печати.В целях расчёта и моделирования представляется возможным ввести понятие «физически бесконечно малого объёма структуры». Феноменологические параметры следует при этом определять через механические либо адгезионные характеристики в зависимости от плотности заполнения внутреннего объёма изделия.
Ключевые слова
аддитивные технологии, 3D-печать, механические испытания, физико-механические свойства, внутренняя структура, концентрация напряжений, адгезия, разрушение, конечно-элементное моделирование, стандарты на испытания, технологическое управление прочностью, гипотеза сплошности, 3D printing
Читать полный текст статьи: PDF
Список литературы
Galeta T. Influence of Structure on Mechanical Properties of 3D Printed Objects / T. Galeta, P. Raos, J. Stojšić, I. Pakši // Procedia Engineering. - 2016. - Vol. 149. - Pp. 100-104. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.06.644.
Galeta T. Influence of Processing Factors on the Tensile Strength of 3D-printed Models / T. Galeta, Kladari, M. Karaka // Materials and technology. - 2013. - Vol. 47. - № 6. - Pp. 781-788.
Impens D. Assessing the Impact of Post-Processing Variables on Tensile and Compression Characteristics for 3D Printed Components / D. Impens, R. J. Urbanic // IFAC-PapersOnLine. - 2015. - Vol. 48. - Is. 3. - Pp. 652-657. DOI: 10.1016/j.ifacol.2015.06.156.
Rankouhi B. Failure Analysis and Mechanical Characterization of 3D Printed ABS With Respect to Layer Thickness and Orientation / B. Rankouhi, S. Javadpour, F. Delfanian, T. Letcher // Journal of FailureAnalysis and Prevention. - 2016. - Vol. 16. - Is. 3. - Pp. 467-481. DOI: 10.1007/s11668-016-0113-2.
Torrado A. R. Failure Analysis and Anisotropy Evaluation of 3D-Printed Tensile Test Specimens of Different Geometries and Print Raster Patterns / A. R. Torrado, D. A. Roberson // Journal of Failure Analysis and Prevention. - 2016. - Vol. 16. - Is. 1. - Pp. 154-164. DOI: 10.1007/s11668-016-0067-4.
Torrado Perez A. R. Fracture Surface Analysis of 3D-Printed Tensile Specimens of Novel ABS-Based Materials / A. R. Torrado Perez, D. A. Roberson, R. B. Wicker // Journal of Failure Analysis and Prevention. - 2014. - Vol. 14. - Is. 3. - Pp. 343-353. DOI: 10.1007/s11668-014-9803-9.
Mohamed O. A. Effect of Process Parameters on Dynamic Mechanical Performance of FDM PC/ABS Printed Parts Through Design of Experiment / O. A. Mohamed, S. H. Masood, J. L. Bhowmik, M. Nikzad, Azadmanjiri // Journal of Materials Engineering and Performance. - 2016. - Vol. 25. - Is. 7. - Pp. 2922-2935. DOI: 10.1007/s11665-016-2157-6.
Wenzheng W. Influence of Layer Thickness and Raster Angle on the Mechanical Properties of 3D-Printed PEEK and a Comparative Mechanical Study Between PEEK and ABS / W. Wenzheng, P. Geng, G. Li, D. Zhao, H. Zhang, J. Zhao // Materials. - 2015. - Vol. 8. - Is. 9. - Pp. 5834-5846. DOI: 10.3390/ma8095271.
Christiyan K. G. J. Flexural Properties of PLA Components Under Various Test Condition Manufactured by 3D Printer / K. G. J. Christiyan, U. Chandrasekhar, K. Venkateswarlu // Journal of The Institution of Engineers (India): Series C. - 2016. - Pp. 1-5. DOI: 10.1007/s40032-016-0344-8.
Li D. Interior structural optimization based on the density-variable shape modeling of 3D printed objects / D. Li, N. Dai, X. Jiang, X. Chen // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2016. - Vol. 83. - Is. 9-12. - Pp. 1627-1635. DOI: 10.1007/s00170-015-7704-z.
Об авторах
Петров Владимир Маркович - доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВО «СПбГАСУ»Безпальчук Сергей Николаевич - заведующий межкафедральной лабораторией, директор испытательного центра
ФГБОУ ВО «СПбГАСУ»Яковлев Сергей Павлович - аспирант
ФГБОУ ВО «БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»
