CC BY
138
УДК 539.3
Влияние угла растра и ориентации слоев на разрушение образцов при 3D печати АБС пластиком
A. Nabavi-Kivi1, M.R. Ayatollahi1, S. Schmauder2, M.R. Khosravani3
1 Иранский университет науки и технологий, Нармак, Тегеран, 16846, Иран 2 Институт испытаний материалов (IMWF), Штутгартский университет, Штутгарт, 70569, Германия 3 Зигенский университет, Зиген, 57068, Германия
Понимание механического поведения полимерных изделий, изготовленных методом послойного на-плавления (FDM), является важной задачей. Настоящее исследование посвящено изучению влияния угла растра и ориентации слоев на свойства при растяжении и ударную вязкость образцов, полученных из акри-лонитрил-бутадиен-стирола (АБС) методом FDM. Рассматриваются две серии образцов. В первой серии образцы имеют одинаковую ориентацию слоев, но четыре разных угла растра 0°/90°, 15°/-75°, 30°/-60° и 45°/-45°. Во второй серии образцы имеют три разных ориентации слоев при фиксированном угле растра 45°/-45°. Испытания на растяжение проводили на образцах в форме двусторонней лопатки, а полукруглые образцы испытывали на изгиб в тестах на разрушение. Критическое значение J-интеграла, рассчитанное методом конечных элементов, использовалось в качестве параметра вязкости разрушения. В первой серии образцов критическое значение J-интеграла составляет 4389 Дж/м2 для угла растра 45°/-45° и около 1880 Дж/м2 для 0°/90°. Во второй серии образцы с вертикальной укладкой слоев имеют наименьшее сопротивление разрушению 1004 Дж/м2, тогда как в образцах с зародышем трещины, расположенным перпендикулярно нанесенным слоям, это значение достигает 5934 Дж/м2. Поверхности излома образцов после растяжения исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии для анализа мезоскопических особенностей разрушения. Исследовано влияние угла растра и ориентации слоев на траекторию распространения трещины в полукруглых образцах и величину критической нагрузки разрушения.
Ключевые слова: моделирование методом послойного наплавления (FDM), акрилонитрил-бутадиен-сти-рол (АБС), вязкость разрушения, свойства при растяжении
DOI 10.55652/1683-805X_2022_25_5_26
Fracture analysis of a 3D-printed ABS specimen: Effects of raster angle and layer orientation
A. Nabavi-Kivi1, M.R. Ayatollahi1, S. Schmauder2, and M.R. Khosravani3
1 Fatigue and Fracture Research Laboratory, Center of Excellence in Experimental Solid Mechanics and Dynamics, School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Narmak, Tehran, 16846, Iran 2 Institute for Materials Testing, Materials Science and Strength of Materials (IMWF), University of Stuttgart,
Stuttgart, 70569, Germany 3 Chair of Product Development, University of Siegen, Siegen, 57068, Germany
Understanding the mechanical response of polymer components fabricated by fused deposition modeling (FDM) is an important issue. Therefore, the present study deals with the effects of raster angle and layer orientation on the tensile properties and fracture toughness of acrylonitrile butadiene styrene (ABS) specimens produced by the FDM method. Two groups of specimens are considered. The first group includes specimens with the same layer orientation and the four different raster angles 0°/90°, 15°/-75°, 30°/-60°, and 45°/-45°. Specimens in the second group have the fixed raster angle 45°/-45° and three different layer orientations. Tensile tests are performed using dumbbell specimens, and semicircular bending (SCB) specimens were used for fracture mechanics tests. The critical value of J-integral obtained from finite element simulations is used as a parameter to characterize fracture properties. In the first group of specimens, the critical value of J-integral for the 45°/-45° specimen is 4389 J/m2 while it is about 1880 J/m2 for the 0°/90° specimen. In the second group, the vertically printed specimens have the least fracture resistance 1004 J/m2, while this value reaches 5934 J/m2 for the specimens in which the precrack is perpendicular to the printed layers. In addition, the fracture surface of tensile specimens is analyzed using scanning electron microscopy for the mesomechanical study of failure in the printed specimens. Lastly, the crack path in SCB specimens is explored experimentally to understand how the raster angle and layer orientation affect the fracture trajectory and to justify different values of fracture loads.
Keywords: fused deposition modeling (FDM), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), fracture toughness, tensile properties
© Nabavi-Kivi A., Ayatollahi M.R., Schmauder S., Khosravani M.R., 2022
1. Введение
Технологии аддитивного производства — это технологии послойного изготовления трехмерных деталей, которые заслуженно называют революционными [1]. Эти технологии позволяют значительно сократить количество отходов по сравнению с традиционными методами производства, такими как фрезерование или обработка материала на станке с ЧПУ, а также позволяют изготавливать изделия высокой степени сложности. Аддитивные технологии могут использоваться для изготовления деталей из широкого спектра материалов: полимеров, металлов, керамики и их комбинаций [2]. Детали, изготовленные аддитивными методами, могут применяться в промышленном дизайне, автомобилестроении, стоматологии, медицине и многих других областях. Методы аддитивного производства подразделяют на экструзию материалов, фотополимеризацию, прямой подвод энергии и материала, струйное нанесение материала, струйное нанесение связующего, синтез на подложке, листовая ламинация [3].
Послойное построение изделия из расплавленной нити (FDM), при котором расплавленный фи-ламент (обычно полимер) экструдируется через сопло принтера [4], относится к наиболее распространенным методам аддитивных технологий. Установлено, что механическое поведение деталей, изготовленных по этой технологии, зависит от таких параметров печати, как толщина слоя [5], плотность заполнения [6], скорость печати [7], температура сопла [8], ориентация слоев и угол растра [9-11]. Процесс печати методом FDM схематически показан на рис. 1. Для этой техно-
логии обычно используют термопласты с низкими температурами плавления, включая акрилонит-рил-бутадиен-стирол (АБС), поликарбонат (ПК), Ultem (полиэфиримид), полимолочную кислоту (ПЛА) и т.д. [10]. АБС пластик, обладающий хорошей ударопрочностью, высокой стабильностью размеров и жесткостью [11], широко применяется для производства автомобильных деталей [12], электрических плат, обшивки дверей, элементов ремней безопасности, ручек.
Технология FDM допускает разное направление укладки слоев, поэтому формируемая деталь может иметь анизотропию механических свойств в различных направлениях. Понимание поведения FDM деталей при механическом нагружении важно для оценки их несущей способности. Ниже представлен обзор современных исследований, посвященных этому вопросу.
В работе [13] описано анизотропное поведение механических свойств деталей, изготовленных методом FDM из АБС пластика, а также выявлено значительное влияние ориентации слоев на механические характеристики образцов. Kiendl и др. [14] изучали влияние укладки растра на механические свойства, особенно на ударную вязкость, ПЛА образцов и показали, что образцы, нагруженные диагонально направлению растра, обладают более высокой ударной вязкостью по сравнению с образцами, нагруженными параллельно или перпендикулярно растру. В работе [15] отмечено, что FDM образцы из АБС пластика характеризуются хорошими ударными характеристиками при угле растра 45°/-45°. Поверхности излома этих образцов имели признаки хрупкого разру-
Рис. 1. Схема процесса FDM (цветной в онлайн-версии)
шения при слабом пластическом течении. В последние годы внимание исследователей привлекает проблема усталостной долговечности FDM деталей. Например, в работе [16] установлено, что дефекты изготовления, такие как микропоры и внутренние трещины, могут существенно влиять на усталостные характеристики FDM образцов из АБС пластика. В работе [17] указано, что образцы из АБС пластика с углом растра 45°/-45° имеют значительно более высокую усталостную долговечность по сравнению с образцами с другими углами растра.
Анизотропия элементов, изготовленных методом FDM, обуславливает необходимость проведения исследований их сопротивления разрушению. Например, Li и др. [18] проводили испытания на образцах с односторонним надрезом для определения ударной вязкости FDM элементов из АБС с углами растра 45°/-45° и 0°/90°. Согласно полученным результатам образцы с ориентацией растра 45°/-45° обладают высокой стойкостью к разрушению за счет ветвления трещин в слабых межрастровых зонах. Для улучшения сопротивления разрушению авторы предложили модифицировать верхнюю и нижнюю поверхности образцов цилиндрами, расположенными в определенном порядке и сдерживающими зарождение и распространение трещин [18]. Согласно полнофакторному эксперименту, проведенному Taylor и др. [19], угол растра играет более важную роль в повышении вязкости разрушения, чем ориентация слоев. Sedighi и др. [20] представили прогностическую кривую вязкости разрушения для FDM образцов из поликарбоната, которая может найти применение в инженерных приложениях. Авторы указали на низкую прочность образцов, нагруженных перпендикулярно слоям. Damodaran и др. [21] провели несколько испытаний на разрушение образцов из АБС пластика при поперечном сдвиге для определения межслойной вязкости разрушения. Полученные результаты показали, что прочность связи повышается при более низких скоростях печати благодаря лучшему механическому сцеплению слоев.
Обзор литературы показывает, что большинство исследований посвящено основным механическим характеристикам FDM деталей из АБС. Ударная вязкость образцов рассматривалась только при определенных параметрах построения. Таким образом, в настоящее время имеется недостаточно данных о влиянии угла растра и ориента-
ции слоев на разрушение FDM образцов из АБС пластика. В данной работе исследуется влияние угла растра и ориентации слоев на предел прочности и особенности разрушения FDM образцов из АБС пластика.
2. Теория разрушения
Для описания поля линейных упругих напряжений вблизи вершины трещины в условиях на-гружения типа I воспользуемся решением в виде ряда Уильямса [22], первый или сингулярный член которого можно записать как
Kт
°xx rz-
v2^r
cosl f
_ Кт
c yy _V2
f
cos I -%r V 2
x
xy
%r
6^1 . ( зеу
— I Sin
.2 ) V 2 )_
( 36 У
— I Sin
2 ) V 2 )_
^ 36 ^
I cos l — I +
) V 2 )
(1)
где Оу — упругие напряжения в полярных координатах г и 0; К — коэффициент интенсивности напряжений (КИН).
Согласно линейной механике упругого разрушения хрупкое разрушение при нагружении типа I происходит, если значение К равно ударной вязкости материала К1с. Однако положения линейной механики упругого разрушения не действительны для материалов, характеризующихся значительной пластичностью в вершине трещины. В этом случае КИН неприменим и рекомендуется использовать параметр .7, равный скорости выделения энергии в нелинейно-упругих материалах. Этот параметр также описывает прочность материала в вершине трещины в области сингулярности для случая упругопластического отклика. Метод контурного интеграла, называемый методом 1-интеграла, может быть использован для численного расчета параметра 7 в телах с трещинами. Уравнение (2) показывает связь между 7 и К1 в задачах о линейной упругой трещине [22]:
К , (2)
где Е — модуль Юнга для плоского напряжения Е и для плоской деформации Е/(1 - V2); V — коэффициент Пуассона. 1-интеграл может использоваться в качестве параметра разрушения как в упругих, так и в упругопластических задачах для тела с трещиной, причем в задачах упругопласти-ческой механики разрушение начинается, когда 7 достигает критического значения 7с.
Таблица 1. Механические и физические свойства АБС нити [24]
Плотность, г/см3 1.04
Модуль упругости, ГПа 1.1-3.2
Предел прочности, МПа 30-35
Предел текучести, МПа 28-32
Коэффициент Пуассона 0.34-0.37
Удлинение при разрыве, % 5-19
Удлинение при пределе текучести, % 3.5-6.0
Усадка, % 0.4-0.7
Температура стеклования, °С 105-115
3. Экспериментальные методы
3.1. Материал и образцы
Испытания на растяжение проводили на образцах в виде двусторонней лопатки, а вязкость разрушения исследовали на полукруглых образцах. После создания компьютерных моделей образцов проходила их подготовка к печати с помощью программы-слайсера Бтр^уЗБ [23]. Образцы печатали на 3Б принтере ишЬпе1 с использованием АБС нити диаметром 1.75 мм. Механические и физические свойства АБС нити указаны в табл. 1.
Параметры печати, выбранные в соответствии с фирменным каталогом (Б^есИ) [25], представлены в табл. 2. Указанные параметры не изменялись в течение всего процесса печати. Поскольку
Таблица 2. Параметры печати образцов
Температура сопла, °С 235
Температура рабочей поверхности, °С 100
Диаметр сопла, мм 0.4
Скорость печати, мм/с 60
Плотность заполнения, % 100
термопластичные нити подвержены усадке, после печати образцы оставляли на несколько минут остывать на подложке, чтобы минимизировать возможное коробление.
В испытаниях участвовали две серии образцов. В серии А все образцы были напечатаны в горизонтальном положении, но с разными углами растра 0Г = 0°/90°, 15°/-75°, 30°/-60° и 45°/-45° (рис. 2). В серии В печать происходила с фиксированным углом растра 0Г = 45°/-45°, но при трех различных положениях образцов (рис. 3). На рисунках угол растра 0Г показан на двух последовательных слоях.
Из рис. 2 и 3 видно, что слои всех образцов параллельны плоскости ХУ. Однако для полукруглых образцов введены обозначения ав, указывающие на плоскость, которой параллельна трещина, при этом а является нормалью к фронту трещины. Для удобства режимы, в которых были напечатаны две серии образцов, сведены в табл. 3.
Рис. 2. Ориентация растра и слоев в образцах серии А: образцы в форме двусторонней лопатки (а), полукруглые образцы (б) (цветной в онлайн-версии)
Рис. 3. Ориентация растра и слоев в образцах серии В: образцы в форме двусторонней лопатки (а), полукруглые образцы (б) (цветной в онлайн-версии)
Из табл. 3 видно, что режим печати в последней строке серии А соответствуют режиму печати в первой строке серии В. Однако в каждой серии учитывалось влияние разных факторов: влияние угла растра в серии А и влияние ориентации слоев в группе В. На растяжение испытывали по четыре образца. По три образца использовано для определения вязкости разрушения.
3.2. Испытания на растяжение
На рис. 4 показан образец в форме двусторонней лопатки, изготовленный в соответствии со стандартом АБТМ Б638 (тип IV) [26].
Для проведения испытаний на растяжение использовали универсальную испытательную ма-
шину БАКТАМ БТМ-150 со скоростью нагруже-ния 1 мм/мин. Деформацию образца в направлении нагрузки измеряли с использованием метода корреляции цифровых изображений (Б1С), который является удобным полномасштабным способом измерения полного поля смещений в нагруженных образцах (дополнительную информацию см. в [27]). Для этого на поверхность образцов сначала наносили белый фон, а затем черные точки. С помощью цифровой камеры в ходе эксперимента была сделана серия изображений, причем первое изображение соответствует нулевой нагрузке. Испытательная установка с системой для обработки изображений в цифровой форме и образец со спекл-структурой показаны на рис. 5.
Таблица 3. Режимы печати образцов серии А и В
Угол растра 0Г Ориентация двусторонней лопатки Ориентация полукруглого образца
Серия А 0°/90° Горизонтальная YZ: трещина в плоскости УZ.¡ фронт трещины перпендикулярен оси У
15°/-75° Горизонтальная YZ: трещина в плоскости YZ, фронт трещины перпендикулярен оси У
30°/-60° Горизонтальная YZ: трещина в плоскости YZ, фронт трещины перпендикулярен оси У
45°/-45° Горизонтальная YZ: трещина в плоскости YZ, фронт трещины перпендикулярен оси У
Серия В 45°/-45° Горизонтальная YZ: трещина в плоскости YZ, фронт трещины перпендикулярен оси У
45°/-45° На ребре ZY: трещина в плоскости ZY, фронт трещины перпендикулярен оси Z
45°/-45° На торце ХУ: трещина в плоскости ХУ, фронт трещины перпендикулярен оси X
Рис. 4. Вид и размеры (в мм) образцов в форме двусторонней лопатки
На рис. 6 показано поле продольных деформаций под действием критического напряжения для образца в форме двусторонней лопатки, напечатанного в горизонтальном положении с углом растра 45°/-45° (рис. 2, а).
Кривые зависимости напряжения от деформации, полученные при растяжении образцов серии А, приведены на рис. 7. Из рисунка видно, что образцы с углами растра 0Г = 30°/-60° и 45°/-45° имеют большую деформацию при разрыве по сравнению с образцами с углами растра 0Г= 0°/90° и 15°/-75°. Следовательно, печать с углами растра 30°/-60° и 45°/-45° обеспечивает меньшую хрупкость FDM деталей из АБС пластика в отличие от печати с двумя другими углами растра. На рис. 8 представлены кривые зависимости напряжения от деформации, полученные при растяжении образцов серии B. Видно, что образец, напечатанный вертикально, в положении на торце, имеет наименьшие значения деформации при разрыве и предела прочности. Это может быть связано с меньшей устойчивостью межслойных связей к условиям нагружения. Образцы, напечатанные в двух других положениях (горизонтально и на ребре), демонстрируют пластичное поведение с
Рис. 6. Цифровое изображение для измерения продольной деформации методом Б1С (цветной в он-лайн-версии)
более высокими значениями предела прочности. Хотя каждое испытание на растяжение повторялось трижды, на рис. 7 и 8 представлены выборочные кривые для каждого типа образца.
Деформационные характеристики, полученные из диаграмм напряжения-деформации, для образцов, напечатанных с различными углами растра (серия А) и ориентацией слоев (серия В), представлены в табл. 4. Здесь Е — модуль Юнга; V — коэффициент Пуассона; ее1 — относительная де-
Рис. 5. Универсальная испытательная машина с Б1С системой обработки изображений и спекл-изображе-ние (цветной в онлайн-версии)
Рис. 7. Зависимость истинного напряжения от деформации для образцов в форме двусторонней лопатки, напечатанных в горизонтальном положении с различными растровыми углами (серия А) (цветной в он-лайн-версии)
Рис. 8. Зависимость истинного напряжения от деформации для образцов в форме двусторонней лопатки, напечатанных в трех разных положениях с углом растра 45°/-45° (серия В) (цветной в онлайн-версии)
формация при пределе текучести; 8гар1 — деформация при разрыве.
Анализ влияния углов растра на деформационные характеристики показывает, что в образцах с горизонтальной ориентацией слоев и углом растра 45°/-45° деформация при разрыве 8^ более чем в 2 раза выше, чем в образцах с углом растра 0°/90°. Однако модуль Юнга для образцов с разными углами растра, но с фиксированной ориентацией слоев изменяется не более чем на 4 %. Несмотря на небольшую анизотропию упругих свойств для этих образцов свойственна значительная анизотропия деформации при разрыве. Диапазон изменения модуля Юнга в образцах с фиксированным углом растра 45°/-45°, но разной ориентацией слоев составляет почти 16 %. Кроме того, образец, напечатанный в положении на реб-
ре с углом растра 45°/-45°, характеризуется деформацией при разрыве в 3 раза выше, чем вертикально напечатанный образец. Аналогичные результаты были получены другими исследователями, однако они изучали весьма ограниченный диапазон углов растра и ориентаций слоев [2831].
3.2.1. Анализ поверхностей излома
Механизмы разрушения исследованы на образцах в форме двусторонней лопатки с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). На рис. 9 представлены изображения поверхности излома образца с горизонтальной укладкой слоев и углом растра 45°/-45°. Следует отметить, что все поверхности излома были покрыты медным слоем. Несмотря на то что задана 100% плотность заполнения, между волокнами растра существуют зазоры, которые обусловлены процессом FDM. Поэтому на поверхности излома образца видна межволоконная структура. Как видно из рис. 9, места сплавления соседних волокон не испытывают значительных напряжений, и поэтому их поверхности остаются гладкими. Расположение растров под углом к направлению нагрузки увеличивает прочность материала. На торцах поврежденных волокон растра наблюдается гребенчатый рельеф (рис. 9).
На рис. 10 представлена поверхность излома образцов, напечатанных в горизонтальном положении с различной ориентацией растра 0Г = 0°/90°, 15°/-75° и 30°/-60°. При сравнении рис. 9 и 10 видно, что образцы с углами растра 45°/-45° и 30°/-60° имеют более выраженные зоны гребенчатого рельефа, чем образцы с другими углами растра. Поскольку образование гребней является
Таблица 4. Средние деформационные характеристики образцов, напечатанных из АБС пластика
Угол растра Ориентация образца E, МПа V Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Sel Srupt
Влияние угла растра, серия A
0°/90° Горизонтальная 1775±46 0.32 ± 0.03 27.9 ± 1.6 28.7 ± 1.4 0.017 ± 0.001 0.019 ± 0.001
15°/-75° Горизонтальная 1762±73 0.32 ± 0.02 27.2 ± 0.6 27.8 ± 0.7 0.018 ± 0.001 0.023 ± 0.003
30°/-60° Горизонтальная 1804±68 0.34 ± 0.03 29.6 ± 2.6 31.1 ± 0.5 0.017 ± 0.003 0.030 ± 0.004
45°/-45° Горизонтальная 1741±93 0.37 ± 0.01 25.5 ± 1.8 28.5 ± 3.7 0.016 ± 0.001 0.043 ± 0.008
Влияние ориентации образцов, серия B
45°/-45° Горизонтальная 1741±93 0.37 ± 0.01 25.5 ± 1.8 28.5 ± 3.7 0.016 ± 0.001 0.043 ± 0.008
45°/-45° На ребре 1502±47 0.37 ± 0.02 25.0 ± 3.2 27.5 ± 1.3 0.021 ± 0.003 0.050 ± 0.002
45°/-45° На торце 1635±118 0.31 ± 0.02 19.8 ± 1.0 22.3 ± 2.1 0.014 ± 0.002 0.018 ± 0.002
Рис. 9. Поверхность излома после растяжения образцов, напечатанных в горизонтальном положении с 0Г = 45°/-45° (серия А) (цветной в онлайн-версии)
одним из основных факторов диссипации энергии в материале, более высокая степень шероховатости на разрушенных поверхностях волокон растра позволяет предположить, что образцы с углами растра 45°/-45° и 30°/-60° имеют большую прочность.
На рис. 11 показаны поверхности излома образцов с различной ориентацией слоев (серия В). В отличие от образца с поперечной укладкой сло-
ев, поверхности излома образцов, напечатанных горизонтально и на ребре, имеют большее количество областей с гребенчатым рельефом, которые поглощают большее количество энергии в процессе разрушения. Поэтому эти два образца имеют большую пластичность, чем образец с поперечной укладкой (рис. 11, б). При поперечной укладке слои (рис. 11, в) расположены перпендикулярно направлению нагрузки и имеют мень-
Рис. 10. Поверхность излома после растяжения образцов, напечатанных в горизонтальном положении с углами растра 0°/90° (а), 15°/-75° (б) и 30°/-60° (в) (серия А)
Рис. 11. Поверхность излома образцов, напечатанных с углом растра 45°/-45° в разных положениях: горизонтальном (а), на ребре (б) и на торце (в) (серия В) (цветной в онлайн-версии)
шую устойчивость к разрушению. По той же причине поверхность излома образца с поперечной укладкой имеет гладкий и ровный рельеф, подтверждающий его низкую конструктивную прочность. Стоит отметить, что полученные результаты микроструктурных исследований согласуются с кривыми напряжения-деформации, показанными на рис. 7 и 8. Близкие результаты были получены некоторыми авторами при изучении поверхностей излома образцов, изготовленных из полимеров, см., например, Dear [32], Jansen, Technimet [33].
3.3. Испытания на разрушение
Для испытаний на вязкость разрушения использовали полукруглые образцы для испытаний на изгиб. Такие образцы ранее использовались для проведения экспериментов по разрушению в режиме I и смешанном режиме для технического полиметилметакрилата [34]. На рис. 12, а показана схема полукруглого образца и его размеры. С помощью распиловочного станка в образце делали надрез длиной 13 мм, а затем в вершине надреза с помощью нового бритвенного лезвия фор-
Рис. 12. Вид и размеры (в мм) полукруглого образца (а); схема испытательной установки для образцов, напечатанных в положении с углом растра 30°/-60° (б) (серия А) (цветной в онлайн-версии)
0-F--,-,-,-
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Смещение, мм
Рис. 13. Кривые нагрузка-перемещение полукруглых образцо]
рии А (а) и B (б) (цветной в онлайн-версии)
мировали острую трещину длиной 2 мм. Испытания на разрушение проводились со скоростью смещения 1 мм/мин. В качестве нижней опоры использовали два ролика, которые позволили минимизировать трение между образцом и его опорами [35] (рис. 12, б). Угол растра 0Г в двух смежных слоях указан на рис. 12, б. Для каждого испытания на разрушение получали кривую нагрузка-перемещение, а затем определяли максимальную нагрузку (нагрузку начала разрушения) для расчета критического значения J-интеграла Jc. Характерные кривые нагрузка-перемещение, полученные в результате испытаний на разрушение FDM образцов из АБС пластика, показаны на рис. 13, а, б. Видно, что кривые имеют почти линейный характер вплоть до пика, хотя в некоторых случаях наблюдается небольшая пластичность.
На рис. 13, б видно, что образец XY с надрезом, расположенным параллельно слоям образца, имеет наименьшую критическую нагрузку, причем разрушается он хрупким образом. Два других образца серии B (YZ и ZY) имеют более высокую критическую нагрузку, а также большую пластичность вблизи вершины трещины по сравнению с образцом XY. Угол растра также влияет на разрушение FDM деталей, при этом изменение угла растра с 0°/90° на 45°/-45° приводит к увеличению как критической нагрузки, так и пластической деформации (рис. 13, а). Следует отметить, что во всех напечатанных образцах, кроме XY, наблюдается небольшая нелинейность кривых нагрузка-перемещение. Таким образом, более целесообразно использовать J-интеграл в качестве па-
Смещение, мм
при испытании на трехточечный изгиб: для образцов се-
раметра, характеризующего сопротивление разрушению. В аналогичном исследовании, посвященном изучению влияния ориентации слоев на вязкость разрушения FDM образцов из ПЛА [36], обнаружено, что образцы YZ имели большее сопротивление разрушению, чем образцы ZY. Однако результаты, полученные в настоящей статье, показывают другую тенденцию, когда образцы ZY имеют более высокую критическую нагрузку, что обусловлено режимом их печати. Дополнительное обсуждение упомянутых результатов изложено в следующих разделах.
4. Анализ методом конечных элементов
Методом конечных элементов выполнено моделирование полукруглых образцов для испытаний на изгиб и расчет критических значений J-интеграла при пиковых нагрузках. Параметры материала были выбраны в соответствии с данными, приведенными в табл. 4. Как обсуждалось ранее, поскольку материал демонстрирует преимущественно линейно-упругое поведение, а упругие свойства почти одинаковы в разных направлениях изучаемых образцов, анализ методом конечных элементов может быть выполнен на основе изотропных механических свойств без потери точности. Подобное предположение рассматривалось в ряде предыдущих работ, например [37, 38]. На рис. 14 показана сетка конечных элементов для полукруглого образца, смоделированная с использованием восьмиузловых элементов в плоском напряженном состоянии. На основе анализа чувствительности сетки было обнаружено,
Направление нагружения
Рис. 14. Конечно-элементная модель полукруглых образцов (цветной в онлайн-версии)
что достаточно 2031 элемента для получения результатов, не зависящих от размера сетки, для параметров вершины трещины.
5. Анализ вязкости разрушения
В табл. 5 представлены значения критической нагрузки и соответствующие критические значения 1-интеграла /с, полученные для полукруглых образцов серии А и В. О влиянии угла растра на характер разрушения (серия А) можно судить по значениям /с. Образцы с углом растра 0°/90° имеют наименьшее значение /с, которое составляет 1880 Дж/м2 (табл. 5). Максимальное значение /с приходится на образец с углом растра 45°/-45°, что в 2 раза больше, чем у образца с 0°/90°. Выделенные строки в табл. 5 показывают, что соответствующие образцы серии А и В имеют равные
Таблица 5. Критическая нагрузка и соответствующие значения Jc для полукруглых FDM образцов из АБС пластика
Угол растра 9r Ориентация образца Критическая нагрузка, Н Jc, Дж/м2
Влияние угла растра, серия А
0°/90° YZ 462 ± 22 1880 ± 152.0
15°/-75° YZ 515 ± 5 2340 ± 47.5
30°/-60° YZ 570 ± 21 2858 ± 188.0
45°/-45° YZ 703 ± 30 4389 ± 341.5
Влияние ориентации образца, серия B
45°/-45° YZ 703 ± 30 4389 ± 341.5
45°/-45° ZY 780 ± 29 5934 ± 382.0
45°/-45° XY 320 ± 13 1004 ± 76.6
значения Jc. Однако в серии A исследовано влияние угла растра, а в серии B влияние ориентации слоев. В образцах серии B, где ориентация слоев является переменным технологическим параметром, наибольшую вязкость разрушения имеют образцы, напечатанные в положении ZY.
Также необходимо исследовать, как угол растра может влиять на распространение трещины в FDM деталях из АБС пластика. На рис. 15 показана траектория разрушения полукруглых образцов с разными углами растра (серия А). Из рис. 15, а видно, что в образце с углом растра 0°/90° трещина распространяется в плоскости начального надреза. Однако при изменении угла растра трещина постепенно отклоняется от исходной плоскости.
Рис. 15. Траектория разрушения полукруглых образцов с ориентацией YZ и углом растра 9r = 0°/90° (а), 15°/-75° (б), 30°/-60° (в) и 45°/-45° (г) (серия А) (цветной в онлайн-версии)
В образцах с углом растра 0°/90° половина растров параллельна линии исходного надреза, а другая половина перпендикулярна ей. Следовательно, в образцах с 0°/90° (рис. 15, а) напряжения в вершине трещины должны разрушить только те растры, которые перпендикулярны траектории распространения трещины. Рост трещины в любом другом направлении требует большого количества энергии, т.к. разрушены должны быть все растры. Таким образом, можно констатировать, что исходная трещина имеет тенденцию отклоняться в направлении наименьшего сопротивления в зависимости от ориентации растра. Аналогичный вывод можно сделать и для направления трещин в образцах с другими углами растра.
Угол отклонения трещины может влиять на критическую нагрузку и значения Jc в полукруглых образцах. Используя уравнение (1), касательное напряжение аее вблизи вершины трещины можно рассчитать как
K т
аее =
\llnr Касательные
3
—cos
4
1 ( зе
— | +—cos I — 2 ) 4 ^ 2
(3)
напряжения являются максимальными для состояния предтрещины (надреза), когда 0 = 0°, и уменьшаются при других углах. При увеличении угла отклонения трещины разрушение полукруглого образца происходит при большей нагрузке, поскольку требуются более высокие напряжения для преодоления сопротивления материала распространению трещины. Также следует отметить связь сдвиговых напряжений с текучестью материала. Согласно уравнению (1) напряжение сдвига максимально при 0 = 45° и ми-
нимально при 9 = 0°. Таким образом, в FDM образцах из АБС пластика с 9Г = 45°/-45°, где распространение трещины происходит под углом 9 = 45°, перед трещиной накапливается большая пластическая деформация. В этом случае часть энергии рассеивается за счет пластической деформации, что приводит к повышению сопротивления разрушению, что также подтверждают данные табл. 5 (серия А).
В табл. 5 (серия B) указаны значения критических нагрузок и Jc для полукруглых образцов с различной ориентацией слоев. Для образцов ZY, в которых слои расположены перпендикулярно направлению трещины, среднее значение Jc составляет 5934 Дж/м2. Соответственно, Jc имеет более высокие значения при распространении трещины перпендикулярно слоям образца (рис. 16, б). Кроме того, согласно рис. 16, б ножницеобразное движение слоев 45°/45° можно рассматривать как основной механизм неупругой деформации в полукруглых образцах ZY. Большая остаточная деформация, связанная с этим механизмом, может привести к более высокой вязкости разрушения образцов ZY, как указано в табл. 5 (серия B). Выше было обнаружено нелинейное поведение кривой нагрузка-перемещение образца ZY (рис. 13, б), которое связано с пластической деформацией вблизи вершины трещины. Этот вывод соответствует рис. 16, б, подтверждающему образование зоны пластической деформации перед вершиной трещины из-за высокого сопротивления слоев образца распространению трещины. По этой причине образцы ZY имеют более высокие значения уда-
ростойкости и механические свойства по сравнению с образцами XY и YZ. При этом среднее значение Jc для образца XY составляет 1004 Дж/м2, что является наименьшим значением по сравнению с двумя другими образцами серии B. Это может быть связано с меньшим сопротивлением межслойных зон распространению трещин.
6. Выводы
В настоящей статье исследовано влияние угла растра и ориентации слоев на деформацию и разрушение образцов, изготовленных из АБС методом FDM. Для этого были выбраны четыре различных угла растра 0r = 0°/90°, 15°/-75°, 30°/-60° и 45°/-45°, а также три ориентации слоев. Напечатанные образцы подвергались испытаниям на растяжение для определения основных механических свойств. Для записи и анализа поверхностных смещений использовался метод корреляции цифровых изображений. Поверхность излома образцов исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа для выявления механизмов разрушения материала. Также проводили испытания на разрушение с использованием полукруглых образцов для испытаний на изгиб. С помощью конечно-элементного моделирования получены критические значения J-интеграла, который рассматривается в качестве параметра, характеризующего поведение материала при разрушении. Проанализирована траектория разрушения для полукруглых образцов.
Для значений модуля Юнга характерна небольшая анизотропия, в то время как наибольшая анизотропия свойственна деформации при разрыве для различных углов растра и ориентации слоев.
СЭМ изображения показали наличие гребенчатого рельефа, а также признаки пластичного поведения на поверхностях излома волокон АБС. Следовательно, прочность на разрыв определяется этими двумя механизмами рассеяния энергии.
В результате испытаний полукруглых образцов на изгиб обнаружено, что критическая нагрузка может увеличиваться на 50 и 140 % в зависимости от угла растра и ориентации слоев, соответственно. Образцы ZY с углом растра 0r = 45°/-45° имеют самые высокие значения вязкости разрушения среди всех изученных образцов.
Углы отклонения трещин в полукруглых образцах в значительной степени зависят от углов растра и ориентации слоев.
Результаты и данные, представленные в этой статье, могут быть полезны для подбора углов
растра и ориентации слоев деталей, изготавливаемых из АБС пластика (или других подобных термопластов) методом FDM, с целью повышения сопротивления материала возникновению и распространению трещин.
Благодарности
Работа выполнена при поддержке Немецкого научно-исследовательского сообщества, проект № 459993893.
Литература
1. Singh R., Davim J.P. Additive Manufacturing: Applications and Innovations. - CRC Press, 2018.
2. Ford S., Despeisse M. Additive manufacturing and susta-inability: An exploratory study of the advantages and challenges // J. Clean. Prod. - 2016. - V. 137. - P. 15731587.
3. Diegel O., Nordin A., Motte D. A Practical Guide to Design for Additive Manufacturing. - Singapore: Springer, 2019.
4. Popescu D., Zapciu A., Amza C., Baciu F., Marinescu R. FDM process parameters influence over the mechanical properties of polymer specimens: A review // Polym. Test. - 2018. - V. 69. - P. 157-166.
5. Rankouhi B., Javadpour S., Delfanian F., Letcher T. Failure analysis and mechanical characterization of 3D printed ABS with respect to layer thickness and orientation // J. Fail. Anal. Prev. - 2016. - V. 16. - P. 467-481.
6. Bardiya S., Jerald J., Satheeshkumar V. The impact of process parameters on the tensile strength, flexural strength and the manufacturing time of fused filament fabricated (FFF) parts // Mater. Today Proc. - 2020. -V. 39. - P. 1362-1366.
7. Nayak P.K., Sahu A.K., Mahapatra S.S. Effect of process parameters on the mechanical behavior of FDM and DMLS build parts // Mater. Today Proc. - 2020. -V. 22. - P. 1443-1451.
8. Khan A.S., Ali A., Hussain G., Ilyas M. An experimental study on interfacial fracture toughness of 3-D printed ABS/CF-PLA composite under mode I, II, and mixed-mode loading // J. Thermoplast. Compos. Mater. -2021. - V. 34. - No. 12. - P. 1599-1622.
9. Sonsalla T., Moore A.L., Radadia A.D., Weiss L. Printer orientation effects and performance of novel 3-D printable acrylonitrile butadiene styrene (ABS) composite filaments for thermal enhancement // Polym. Test. - 2019. -V. 80. - P. 106125.
10. Goh G.D., Yap Y.L., Tan H.K.J., Sing S.L., Goh G.L., Yeong W.Y. Process-structure-properties in polymer additive manufacturing via material extrusion: A review // Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. - 2020. - V. 45. -P. 113-133.
11. Yu Z., Li Y., Zhao Z., Wang C., Yang J., Zhang C., Li Z., Wang Y. Effect of rubber types on synthesis, morphology, and properties of ABS resins // Polym. Eng. Sci. -2009. - V. 49. - P. 2249-2256.
12. Yadav D.K., Srivastava R., Dev S. Design and fabrication of ABS part by FDM for automobile application // Mater. Today Proc. - 2020. - V. 26. - P. 2089-2093.
13. Ziemian C., Sharma M., Ziemian S. Anisotropic mechanical properties of ABS parts fabricated by fused deposition modelling // Mech. Eng. - 2012. - V. 23. - P. 2397.
14. Kiendl J., Gao C. Controlling toughness and strength of FDM 3D-printed PLA components through the raster la-yup // Compos. B. Eng. - 2020. - V. 180. - P. 107562.
15. Oviedo A.M., Puente A.H., Bernal C., Pérez E. Mechanical evaluation of polymeric filaments and their corresponding 3D printed samples // Polym. Test. - 2020. -V. 88. - P. 106561.
16. Frascio M., Avalle M., MontiM. Fatigue strength of plastics components made in additive manufacturing: First experimental results // Proc. Struct. Integr. - 2018. -V. 12. - P. 32-43.
17. Jap N.S.F., Pearce G.M., Hellier A.K., Russell N., Parr W.C., Walsh W.R. The effect of raster orientation on the static and fatigue properties of filament deposited ABS polymer // Int. J. Fatigue. - 2019. - V. 124. -P. 328-337.
18. Li J., Yang S., Li D., Chalivendra V. Numerical and experimental studies of additively manufactured polymers for enhanced fracture properties // Eng. Fract. Mech. -2018. - V. 204. - P. 557-569.
19. Taylor G., Anandan S., Murphy D., Leu M., Chandrashe-khara K. Fracture toughness of additively manufactured ULTEM 1010 // Virtual Phys. Prototyp. - 2019. -V. 14. - P. 277-283.
20. Sedighi I., Ayatollahi M.R., Bahrami B., Pérez-Martínez M.A., Garcia-Granada A.A. Mechanical behavior of an additively manufactured poly-carbonate specimen: Tensile, flexural and mode I fracture properties // Rapid Prototyp. J. - 2019. - V. 26. - P. 267-277.
21. Damodaran V., Castellanos A.G., Milostan M., Prabha-kar P. Improving the mode-II interlaminar fracture toughness of polymeric matrix composites through additive manufacturing // Mater. Des. - 2018. - V. 157. - P. 60-73.
22. Anderson T.L. Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications. - CRC Press, 2017.
23. https://www.simplify3d.com, 2020.
24. https://omnexus.specialchem.com/ selection-guide/acrylo-nitrile-butadiene-styrene-abs-plastic, 2020.
25. https://www.fila-tech.com, 2020.
26. Standard D638-14, Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics, 2014.
27. Torabi A.R., Bahrami B., Ayatollahi M.R. Experimental determination of the notch stress intensity factor for sharp
V-notched specimens by using the digital image correlation method // Theor. Appl. Fract. Mech. - 2019. -V. 103. - P. 102244.
28. Hart K.R., Wetzel E.D. Fracture behavior of additively manufactured acrylonitrile butadiene styrene (ABS) materials // Eng. Fract. Mech. - 2017. - V. 177. - P. 1-13.
29. Hibbert K., Warner G., Brown C., Ajide O., Owolabi G., Azimi A. The effects of build parameters and strain rate on the mechanical properties of FDM 3D-printed acrylonitrile butadiene styrene // Open J. Org. Polym. Mater. -2019. - V. 9. - P. 1-27.
30. Torrado A.R., Roberson D.A. Failure analysis and aniso-tropy evaluation of 3D-printed tensile test specimens of different geometries and print raster patterns // J. Fail. Anal. Prev. - 2016. - V. 16. - P. 154-164.
31. Dana H.R., Barbe F., Delbreilh L., Ben Azzouna M., Guillet A., Breteau T. Polymer additive manufacturing of ABS structure: Influence of printing direction on mechanical properties // J. Manuf. Process. - 2019. - V. 44. -P. 288-298.
32. Dear D.R.J.P. A study of polymer fracture surface features and their relationship to toughness // J. Mater. Sci. -1999. - V. 34. - P. 4897-4907.
33. Jansen J., Technimet S. Fractographic Characterization of Polycarbonate Failure Modes // ANTEC Conf. Proc. 3. -2004. - P. 4094-4099.
34. Ayatollahi M.R., Aliha M.R.M., Hassani M.M. Mixed mode brittle fracture in PMMA—An experimental study using SCB specimens // Mater. Sci. Eng. A. - 2006. -V. 417. - P. 348-356.
35. Sedighi I., Ayatollahi M.R., Bahrami B. A statistical approach on the support type effect on mode I fracture toughness determined using semi-circular bend (SCB) specimen // Eng. Fract. Mech. - 2020. - V. 226. -P. 106891.
36. Torres J., Cole M., Owji A., DeMastry Z., Gordon A.P. An approach for mechanical property optimization of fused deposition modeling with polylactic acid via design of experiments // Rapid Prototyp. J. - 2016. - V. 22. -P. 578586.
37. Domingo-Espin M., Puigoriol-Forcada J.M., GarciaGranada A.-A., Lluma J., Borros S., Reyes G. Mechanical property characterization and simulation of fused deposition modeling polycarbonate parts // Mater. Des. -2015. - V. 83. - P. 670-677.
38. AhmedA.A., Susmel L. A material length scale-based methodology to assess static strength of notched additively manufactured polylactide (PLA) // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. - 2018. - V. 41. - P. 2071-2098.
Поступила в редакцию 08.12.2021 г., после доработки 20.01.2022 г., принята к публикации 21.01.2022 г.
Сведения об авторах
A. Nabavi-Kivi, PhD student, Iran University of Science and Technology, Iran, a.nabavi.k@gmail.com
Majid R. Ayatollahi, PhD, Prof., Director, Iran University of Science and Technology, Iran, m.ayat@iust.ac.ir
Siegfried Schmauder, Prof., University of Stuttgart, Germany, siegfried.schmauder@imwf.uni-stuttgart.de
Mohammad Reza Khosravani, Dr.-Ing., Researcher, University of Siegen, Germany, mohammadreza.khosravani@uni-siegen.de
