CC BY
37УДК 620.172.2
В.А. Витренко, Г.В. Сыровой, А.А. Афошин
Луганский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 91034 e-mail: 80508862369@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И ХАРАКТЕРА РАЗРУШЕНИЙ МОДЕЛЕЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ПОЛОЖЕНИЯ В 3D-ПЕЧАТИ
Приведены результаты экспериментальных исследований трубчатых моделей, полученных по технологии послойного наплавления при вертикальном и горизонтальном положениях печати. Исследовано влияние скорости изготовления модели на ее прочностные характеристики. Проведен анализ полученной прочности модели от характера разрушений при испытаниях.
Ключевые слова: 3D-печать, технология послойного наплавления, прочность детали из ABS- и PLA-пластиков.
V.A. Vitrenko, G.V. Syrovoy, A.A. Afoshin
Lugansk Vladimir Dahl National University, Lugansk, 91034 e-mail: 80508862369@mail.ru
RESEARCH OF THE STRENGTH AND NATURE OF MODEL FAILURES OBTAINED BY CHANGING THE POSITION IN 3D PRINTING
The results of experimental studies of tubular models obtained by the technology of layer-by-layer deposition at vertical and horizontal print positions are presented. The influence of the model manufacturing speed on its strength characteristics is investigated. The analysis of the obtained model strength from the nature of the damage during testing is carried out.
Key words: 3D printing, technology of layer-by-layer deposition, strength of a part from ABS and PLA plastics.
В настоящее время значительного прогресса достигли аддитивные системы, среди которых выделяются технологии формирования трехмерных объектов по их компьютерным образам, производящие модели из различных материалов. Они работают по послойному принципу построения физической модели [1].
При 3D-печати точность, качество поверхности и физико-механические свойства являются одними из важнейших факторов, на которые влияют параметры установки, послойное построение изделия, а также материал изделия [2].
Наиболее распространенными материалами для получения изделий методом технологии послойного наплавления (FDM / FFF) служат пластики [3]. Среди них наиболее востребованным материалом для 3D-печати моделей являются ABS- и PLA-пластики. Поэтому целью данной работы является исследование прочности и характера разрушения моделей, получаемых по технологии послойного наплавления в различных положениях при печати с использованием ABS и PLA-пластиков.
Для печати использовался 3D-принтер «TEVO Tarantula i3», обработка 3D-моделей для печати проводилась в программе «Simplify 3D» согласно [4], набор рабочих параметров и системных настроек, применяемых для построения модели, представлены в таблице ниже.
Для исследования были изготовлены, согласно [5], модели из ABS- и PLA-пластика с параметрами: наружный диаметр 20 мм, внутренний 18 мм, толщина стенки 1 мм и длина изделия 50 мм. Печать моделей проводилась как в вертикальном положении, так и в горизонтальном. Скорость печати выбиралась в интервале от 10 до 110 мм/с.
Таблица
Параметры режима печати
Наименование параметра Ед. изм. Значение
Диаметр нити мм 1,75
Диаметр сопла мм 0,2
Скорость заполнения модели мм/с от 10 до 110
Плотность заполнения модели % 100
Толщина стенок мм 0,1
Сырье - АВБ/РЬЛ
Температура печати:
- сопла °С 240 / 220
- стола 80 / 70
Время печати от 23 ч 30 мин до 1 ч 57 мин
Количество слоев шт. от 183 224 до 183 716
Общий вес (модель + поддержки) г 3,77
Расход нити мм 1 252,6
Испытания образцов выполнялись на разрывной машине модели Р-0,5. Замеры проводились, согласно [6], результаты обрабатывали с помощью статистического метода средних величин, на основе которого были определены зависимости изменений прочности от скорости печати изделия. По результатам обработки замеров получен график зависимости прочности от скорости печати (рис. 1 и 2), а также продемонстрирован характер разрушения моделей с изменением положения при печати.
3,6 -3,4 -3,2 -I
10 30 50 70 90 110
V, мм/с
Рис. 1. График прочности и характер разрушения АББ-пластика в модели при вертикальной печати
На полученном графике (рис. 1) зависимости прочности от скорости печати деталей из ЛБ8-пластика в вертикальном положении явно выделяются четыре области. В первую область для скорости от 10 до 30 мм/с попадают модели с наибольшей прочностью на сжатие 42,4-43,8 МПа. Во второй области прочность падает до значения 40,4 МПа. В третьей области при скорости печати от 70 до 90 мм/с модели имеют постоянную прочность 40,6 МПа, а начиная со скорости 100 мм/с наблюдается резкое снижение прочностных свойств. При этом во всех областях разрушение моделей происходило в горизонтальной плоскости по кольцу.
При скорости печати моделей от 70 до 90 мм/с в горизонтальном положении прочность повысилась до 41 МПа, а их разрушение происходило вдоль слоев пластика (рис. 2).
Для более прочного РЬЛ-пластика модели изготавливались в диапазоне скоростей от 50 до 90 мм/с в вертикальном и горизонтальном положениях. Образцы были также разрушены и по результатам обработки замеров построен график прочности с фотографиями разрушения в крайних точках (рис. 3).
50 70 90
V, мм/с
Рис. 3. График прочности и характер разрушения для модели из РЬЛ-пластика при вертикальной печати
На графике видно, что прочность образцов из РЬЛ-пластика при скоростях от 50 до 90 мм/с уменьшается с 60 МПа до 55 МПа, а разрушение моделей под нагрузкой имеет осколочный характер как при вертикальной печати (рис. 3), так и при горизонтальной (рис. 4).
Рис. 4. Характер разрушения РЬЛ-пластика в модели при горизонтальной печати
При горизонтальной печати из РЬЛ-пластика прочность имела значение 61,7 МПа, т. е. возросла незначительно на 2,7%.
Выводы:
1. Установлено, что прочность и характер разрушения модели из полимерных пластиков зависит от ее положения при печати.
2. Увеличение прочности модели из пластика РЬЛ приводит к осколочному разрушению, что значительно сужает область применения изделий, изготовленных из данного материала.
3. Для моделей, изготовленных при разных положениях печати, наилучшие результаты как по прочности, так и по характеру разрушения получаются при скорости 70 мм/с.
Литература
1. Валетов В.А. Аддитивные технологии (состояние и перспективы): Учебное пособие / В.А. Валетов. - СПб.: Университет ИТМО, 2015. - 63 с.
2. Сыровой Г.В. Определение положения оправки на качество ее изготовления при 3-D печати / Г.В. Сыровой, А.А. Афошин // Вестник Луганского национального университета имени Владимира Даля. - 2019. - № 2 (20). - С. 158-161.
3. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям 32-2017. Производство полимеров, в том числе биоразлагаемых. - М.: Бюро НДТ, 2017. - 411 с.
4. ГОСТ 20999-83 Устройства числового программного управления для металлообрабатывающего оборудования. Кодирование информации управляющих программ.
5. ГОСТ 4651-2014 (ISO 604:2002) Пластмассы. Метод испытания на сжатие.
6. ГОСТ 33694-2015 Пластмассы. Определение линейных размеров образцов для испытания.
