ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБРАЗЦОВ ПОСЛЕ FDM-ПЕЧАТИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 67.02; 620.172

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-446-447

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБРАЗЦОВ ПОСЛЕ FDM- ПЕЧАТИ

И.С. Говоров, А.А. Потапов, А.Ю. Веневцев

В работе рассмотрено влияние параметров FDM-печати на физико-механические свойства образцов. Были, исследованы образцы с заполнением 60,80,100%, при разном сочетании угла наклона растра (0°, 45°, 90°) и высотой слоя 0,1 и 0,2 мм.

Ключевые слова: материалы для 3D печати, адгезия, слои, пористость, параметры печати, FDM - печать.

Введение. Существует множество видов аддитивных технологий, одно из которых это FDM - Fused Deposition Modeling [1]. В процессе FDM печати формируются трехмерные объекты на основе CAD-модели твердого тела, проволочного каркаса или поверхности путем последовательного нанесения отдельных слоев из термопластичных материалов с помощью регулируемой температурной головки. Модель строится слой за слоем, снизу вверх. Изделие получается в виде цельной трехмерной детали без необходимости использования последующей обработки. Материал в виде нити (филамента) подается в терморегулируемую экструзионную головку FDM, нагревающую его до полужидкого состояния. Полужидкая масса экструдируется и в виде нити наносится ультратонкими слоями на основание без дополнительного закрепления. Как только материал наносится на стол с помощью экструзионной головки, он затвердевает, образуя твердую фазу. Ниже на рис.1. представлена схема процесса FDM [2].

Параметры печати задаются в специальном программном обеспечении ("слайсере"). На физико-механические характеристики готового изделия влияют различные параметры печати: высота слоя, заполнение и ориентация модели, относительно печатной платформы. Плотность заполнения — это «полнота» внутренней части детали В ("слайсерах") она обычно определяется в процентах от 0 до 100, при этом 0% делает деталь полой, а 100% — полностью заполненной. Это значительно влияет на вес детали: чем полнее внутренняя часть детали, тем она тяжелее и прочнее.

На рис. 2. можно видеть основные параметры печати и плотность заполнения [3].

воздушньти > :I " i ; иотлутныА iiViop от между периметром ширина контура контура и контуру h рзстром Число контуров

Ширина Воздушный звтор

УГОД рлстрп в ЗШ10ЛНСЕП[[[

ПЛКЛОПЙ растра

а

б

Рис. 2. Основные параметры печати: а - параметры слоя; б - плотность заполнения

446

Целью настоящей работы является исследование влияния параметров FDM-печати на физико-механические свойства напечатанных образцов.

Методика экспериментальных исследований. В работе исследованы физико-механические свойства образцов, напечатанных методом FDM при разных параметрах печати.

Образцы для исследований были изготовлены из термопластичного материала АБС - (марки REC). Паспортные характеристики материала приведены в табл. 1 [4].

Таблица 1

Основные свойства АБС-пластика марки REC__

Показатель Значение

Плотность, г/см3 1.05

Прочность на растяжение, МПа 29.6

Модуль упругости при растяжении вдоль слоев, Гпа 1.27

Прочность на изгиб, МПа 65.4

Модуль упругости на изгиб, Гпа 2.14

Прочность на сжатие, МПа 49.3

Модуль упругости на сжатие, Гпа 1.71

Диаметр нити для печати, мм 1.75

Термические характеристики измерялись методом, основанным на измерении теплового потока между исследуемым образцом и эталоном в контролируемых температурных условиях, с помощью дифференциального сканирующего калориметра SKZ1052F. Показатель текучести расплава измерялся на установке ПТР-ЛАБ-11 по ГОСТ 11645-2021 (температура-220°С, нагрузка - 5 кг).

Термические и реологические характеристики АБС-пластика, используемого для печати образцов, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Термические и реологические характеристики АБС-пластика марки REC_

Показатель Значение

Температура стеклования, °С 64.6

Температура кристаллизации, °С 130

Температура плавления, °С 230

Начальная температура деструкции, °С 360

Конечная температура деструкции, °С 441

Показатель текучести расплава, г/10 мин 9.89

Для проведения исследований механических свойств использовались тестовые образцы в форме лопаток в соответствии с ГОСТ 11262-2017. Чертеж представлен ниже на рис. 3 [5].

по

mз

Рис. 3. Чертеж образца для испытаний на растяжение по ГОСТ 11262-2017

В САПР «SoHdWorks» были созданы 3D-модели лопаток с размерами в соответствии ГОСТ 9550-81, ГОСТ 11262-80, ГОСТ 4648-2014, ГОСТ 19109-84.

V

Рис. 4. Лопатка по ГОСТ 11262-80, смоделированная в САПР «SolidWorks»

Печать образцов производилась на 3D-принтере Total Z AnyForm 500 PRO. Для подготовки процесса печати было использовано программное обеспечение «UltimateCura». Основные параметры печати представлены в табл. 3.

Основные параметры печати образц Таблица 3 ов

Температура печати, °С 235

Температура камеры, °С 105

Высота слоя, мм 0.2/0.1

Угол наклона печати, о 0/45/90

Скорость печати, мм/с 40

Количество слоев стенки 2

Количество слоев крышки 3

Количество слоев дна 3

Заполнения,% 100/80/60

Так же для установления зависимости прочности образцов от процента заполнения было напечатано по 5 образцов с плотностью заполнения 80%, 60%. 15 образцов были напечатаны с 100% заполнением с чередованием угла печати: 0°; 45°; 90° и высотой слоя: 0.2 мм и 0.1 мм. Образцы показаны на рис. 5.

Рис. 5. Образцы, изготовленные методом FDM-печати: а - 45°,б - 90°, в - 0°

Методы исследований свойств образцов. Предел текучести, относительное удлинение, прочность при разрушении определяли на разрывной машине в соответствии с ГОСТ 11262-80. Испытания проводились на универсальной испытательной машине РЭМ-А.

Исследования пористости проводились на основании определения плотности образцов. Для измерения плотности использовались гидростатические весы СЕ224-С. Плотность образцов определялась путем погружения их в рабочую жидкость с известным значением плотности р0.

Сначала определялась масса образца А в воздушной среде, а затем - масса образца В в рабочей жидкости.

Плотность р образца рассчитывалась по формуле:

Р=—(PO"Pl)+PL,

(1)

где р - плотность образца; А - масса образца в воздухе; В - масса образца в рабочей жидкости; р0 - плотность рабочей жидкости; рь - плотность воздуха (0,0012 г/см3).

Пористость Р рассчитывалась по формуле:

Р = —100%,

Pf

(2)

где рг - плотность филамента для печати, указанная в паспорте на материал; р - плотность напечатанных образцов, рассчитанная по формуле (2).

Результаты и обсуждения. На рис. 6. приведены графики зависимости напряжения, выдерживаемого образцом, от изменения угла наклона растра.

с 5

о га jo бо so ido

Угол наклона растра. а°

Рис. 6. График зависимости напряжения, выдерживаемого образцом, от изменения угла наклона растра

Из приведенных выше графиков можно сделать выводы, что образцы, напечатанные с углом наклона растра 0°, обладают лучшими физико-механическими свойствами по сравнению с образцами с углом наклона 45° и 90°. Ниже на рис. 7. приведен график средних значений измеренной пористости, все образцы с плотностью заполнения 100%.

£ 4

4,5

3,1

5,3

4,2

□ 0,1 мм

■ 0,2 мм

0° 45° 90°

Угол наклона растра.'

Pua 7. Средние значения пористости

На рис. 8. представлен график для образцов разной плотности заполнения.

Из представленных выше результатов можно судить, что в независимости от угла растра или высоты слоя пористость находится в одном диапазоне. Существенную же разницу оказывает плотность заполнения образцов, чем она меньше, тем пористость больше. При 60% заполнения образцы демонстрируют наибольший показатель пористости, при 80% пористость меньше, но наилучшие показатели при 100 % плотности заполнения, что следует учитывать при выборе этих параметров. Образцы напечатанные с плотностями заполнения 60% и 80% выдерживают более низкие нагрузки, чем с 100%. Для экономии времени и используемого филамента можно использовать параметры печати с 80% заполнения.

Выводы. В работе на примере образцов напечатанных из пластика ABS рассмотрено влияние режимов FDM-печати на физико-механические свойства напечатанных образцов. Установлено, что наилучшие физико-механические свойства имеют образцы, напечатанные с продольной ориентации нитей (угол наклона растра 0°), за которыми следует группа образцов с углом наклона растра 45°. Наиболее низкие показатели механических свойств демонстрируют образцы, напечатанные с углом наклона растра 90°, что связано с тем, что нагрузка при испытаниях прикладывается в поперечном направлении относительно укладки нитей. Для обеспечения лучших показателей пористости, и, следовательно, прочностных свойств необходимо задавать максимальную плотность заполнения.

Исследование выполнено при финансовой поддержке комитета Тульской области по науке и инноватике в рамках соглашения № 10 от 07.09.2022.

Список литературы

1. Different Types of Additive Manufacturing [Электронный ресурс] URL: https://www.carbon3d.eom/resources/blog/the-7-types-of-additive-anufac1:uring (дата обращения: 10.05.2023).

2.Stratasys. Available [Электронный ресурс] URL:

http://www.stratasys.com/3dprinters/technologies/fdmtechnology (дата обращения: 10.05.2023).

3. Antonella Sola. Fused Deposition Modeling of Composite Materials / Antonella Sola, Adrian Trinchi // Wood-head publishing series in composites science and engineering. Elsevier, 2022. 460 p.

4. Wang J. A novel approach to improve mechanical properties of parts fabricated by fused deposition modeling / J.Wang, H.Xie, Z.Weng, T.Senthil, L.Wu // Materials and Design. 2016. V. 105. № C. P. 152-159.

5. Хаширов А.С. Влияние технологических режимов FDM-печати на свойства изделий из полифенилен-сульфона и его композита с дискретным углеродным волокном: дис. Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова, 2019.

Говоров Иван Сергеевич, магистрант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Потапов Андрей Алексеевич, аспирант, младший научный сотрудник, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Веневцев Алексей Юрьевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

STUDY OF THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF PRINTED PRODUCTS FROM PRINTING

PARAMETERS

I.S Govorov, A.A. Potapov, A.Y. Venevtsev

The work examines the influence of 3D printing parameters on the physical and mechanical properties ofprinted products. Samples with a filling of 60,80,100%, with different combinations of raster inclination angles (0°, 45°, 90°) and layer heights of 0.1 and 0.2 mm were studied.

Key words: materials for 3D printing, adhesion, layers, porosity, printing parameters, FDM printing.

Govorov Ivan Sergeevich, master, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Potapov Andrey Alekseevich, postgraduate, junior researcher, [email protected], Russia, Tula, Tula State

University,

Venevtsev Alexey Yurievich, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State

University