CC BY
59
Sokolova Viktoria Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, sokolo-va_vika@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Orekhovskaya Alexandra Aleksandrovna, candidate of agricultural sciences, docent, orehovskaja_aa@bsaa.edu.ru, Russia, Maiskiy village, Belgorod State Agrarian University named after V.Ya. Gorin,
Karnaukhov Andrey Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, sky angel 33amail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian State Aerospace University of Science and Technology. Academician N.F. Reshetnev,
Boyarshinov Ilya Andreevich, student, bunina@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University
УДК 620.17
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-233-239
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НА РАСТЯЖЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПРИ ПОМОЩИ АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
В.А. Давидчук
В работе изложена методика проведения испытаний на одноосное растяжение термопластов, используемых в аддитивном производстве. Описана технология изготовления образцов для испытаний. Приведены результаты экспериментальных исследований механических свойств термопластов PET-G, ABS и PLA, изготовленных FDM методом. Выявлена зависимость механический испытаний от условий кондиционирования образцов. Показана необходимость доработки существующих стандартов, касающихся испытаний пластмасс, учитывая возможности аддитивного производства.
Ключевые слова: одноосное растяжение, термопласт, аддитивные технологии.
Аддитивные технологии с каждым днем все больше внедряются в военно-промышленную отрасль. Наиболее распространенным является метод послойного нанесения полимерной нити (FDM) [1-4]. Полимерные изделия, изготовленные FDM-методом, также как и изделия изготовленные формованием, механической обработкой и штамповкой, необходимо подвергать испытаниям и контролировать качество готовых изделий.
Полимерные изделия, изготовленные FDM методом, также, как и изделия изготовленные формованием, механической обработкой и штамповкой, необходимо подвергать испытаниям и контролировать качество готовых изделий.
Постановка задачи. Анализ литературы показал, что существующие ГОСТы, касающиеся полимеров, не предусматривают аддитивное производство. Механические характеристики, полученные в результате испытаний, приводимые в разных источниках, различны и задаются промежутком. Характеристики термопластов, заявленные производителем, относятся непосредственно к самому филаменту (нити) и при печати изделия, достичь тех же характеристик крайне сложно, так как на качество готовой продукции влияет множество факторов. В связи с этим, остро возникает необходимость в разработке единой методики, позволяющей получить достоверные механические характеристики изделий, изготовленных FDM методом.
233
Основными факторами, определяющими свойства печатного изделия, являются: температура и скорость печати, диаметр сопла, высота слоя, толщина нити, межрастровый зазор, угол укладки нитей, плотность заполнения. Растром принято называть внутреннюю нить, а контуром - внешнюю нить, уложенную по периметру изделия, рис. 1. Кроме того, на процесс печати еще влияют внешние факторы, при которых осуществляется печать изделия (температура и влажность помещения, температура и материал подложки, сопла, качество филамента (нити) и др.) [5].
Рис. 1. Параметры укладки расплавленной полимерной нити при FDM печати
Проведение экспериментальных исследований и анализ полученных результатов. Проведение экспериментальных исследований заключалось в последовательном решении следующих задач:
- подбор термопластов для испытаний;
- проведение предварительных испытаний для определения геометрических параметров образцов для испытаний, а также параметров печати;
- изготовление и подготовка образцов для испытания;
- проведение испытаний образцов по схеме одноосного растяжения.
В настоящее время рынок предоставляет широкий выбор термопластов, предназначенных для печати методом послойного наплавления. Для печати образцов для испытания было отобрано 3 термопласта компании BESTFILAMENT: ABS (акрилонит-рил-бутадиен-стирол), PLA (полилактид) и PET-G (модифицированная гликолем версия полиэтилентерефталата).
Образцы для испытаний печатались на принтере Sapphire S от TWO TREES, кинематика Core XY, область печати 200*200*200мм, форма и размер которых определены в ГОСТ 33693—2015. Геометрические параметры и модель образца для испытания представлены на рис. 2.
Параметры печати:
- термопласт PET-G: температура 230 °С, скорость печати 45 мм/с, диаметр сопла экструдера 0.3 мм, слой 0,15 мм, заполнение 100%;
- термопласт ABS: температура 240 °С, скорость печати 45 мм/с, диаметр сопла экструдера 0.3 мм, слой 0,15 мм, заполнение 100%;
- термопласт PLA: температура 190 °С, скорость печати 45 мм/с, диаметр сопла экструдера 0.3 мм, слой 0,15 мм, заполнение 100%.
Кондиционирование образцов проводилось в соответствии с ГОСТ 12423 -2013. Образцы высушивались при температуре — 50°С. Выдерживались в эксикаторе 3 ч для охлаждения до температуры испытания. Так как образцы были выполнены с помощью печати на 3D принтере, кондиционирование не соответствовало настоящему стандарту, но было рекомендовано, как альтернативное для особых случаев.
Испытания проводились на установке «Киргизстан» типа ИМАШ - 5С-69 в соответствии с ГОСТ 11262—2017.
Регистрация сигналов осуществлялась с помощью модуля АЦП ЦАП ZET 210, предназначенного для измерений параметров сигналов в широком частотном диапазоне (с частотой дискретизации до 500 кГц), поступающих с различных первичных преобразователей и программного обеспечения ZETLab.
Рис. 2. Геометрические параметры и модель образца для испытания (тип CW13)
Предварительные испытания показали, что на ход испытаний существенно влияет качество межслойной адгезии и структура изделия. Было выявлено, что адгезия ухудшалась в случае увеличения времени наложения растра на растр, либо на контур. Образцы, структура расчетной части которых представляла собой контур, заполненный растром, разрывались в местах соединения растра и контура. Так же было выявлено существенное влияние условий кондиционирования на ход проведения испытаний. Образцы, которые не подвергались кондиционированию и находились в помещении с влажностью воздуха 70-90% при температуре 25-28 °С, при растяжении расслаивались и хрупко разрушались, без удлинения (рис.3). То же самое наблюдалось при увеличении скорости проведения испытаний. В ГОСТ 11262—2017, для пластмасс определена такая скорость раздвижения зажимов, чтобы время от момента приложения нагрузки к образцу до его разрушения составляло не менее 1 минуты для материалов, имеющих предел текучести, и не менее 30 с для материалов, не имеющих предел текучести.
Учитывая результаты предварительных исследований и анализ литературы сечение расчетной части образца было подобрано таким образом, что при печати количество нитей по ширине образца исключало наличие растра в центре продольной оси симметрии образца и состояло лишь из контура.
а б
Рис. 3. Результаты испытаний при нарушении условий: а — кондиционирования; б — порядка наложения растров
Для испытаний было изготовлено по 10 образцов из каждого вида пластика. Каждый образец для испытания растягивался вдоль его главной продольной оси с постоянной скоростью 1 мм/мин, в процессе растяжения измерялась нагрузка, выдерживаемая образцом и его удлинение.
Образцы закреплялись строго параллельно направлению движения захватов. Перед испытанием определялась начальная площадь поперечного сечения (Ао) для каждого образца.
В результате испытаний на растяжение, в соответствии с ГОСТ 34370 - 2017, определялись следующие механические характеристики:
1) Условный предел текучести 00,2, МПа.
2) Максимальное напряжение Ом, МПа.
3) Разрушающее напряжение Ор, МПа.
4) Относительное удлинение s,%.
5) Модуль упругости E, МПа.
После обработки, полученных результатов, были построены диаграммы растяжения для рассматриваемых материалов (рис.4).
Анализируя полученные диаграммы, видно, что графики изменяются скачкообразно. Это объясняется специфичной текстурой изделий, изготовленных при помощи FDM печати. На срезе, образец представляет собой не монолитную структуру, а пучок сплавленных между собой нитей.
0.00 0.38 0.77 U5 1,53 1.91 130 2 68 30.46
Относительное удлинение г,% Рис. 4. Диаграмма напряжений
Скачки напряжений вызваны разрывом межрастровых связей (спаек). В первую очередь разрываются спайки, соединяющие нити. Так как прочностные характеристики спаек ниже, чем у нитей. Следует учитывать, что при упаковке растра со смещением, площадь контакта нитей увеличивается, тем самым улучшая качество межслойного сцепления. В работах [6-8] исследовались образцы, которые печатались вертикально. В этом случае нити располагаются поперек моделей, а не вдоль, что позволяет судить о качестве межслойной адгезии при растяжении. При разрыве, предел прочности поперечных образцов был в два раза ниже, чем у продольных.
Из графика видно, что площадка текучести явно не выражена, поэтому определить предел текучести непосредственно по диаграмме растяжения не представляется возможным, даже при увеличении масштаба. В связи с этим необходимо определять условный предел текучести.
Определение условного предела текучести осуществляется следующим образом: образец, закрепленный в захватах машины, нагружается силой Fo, вызывающей в образце начальное напряжение. Для термопластов это напряжение оо=4 МПа. После этого нагрузка на образец увеличивается до 2оо, затем образец разгружается до начального напряжения оо. В этом положении фиксируются показания как начальные.
Далее, образец нагружается первой ступенью нагрузки Fi, соответствующей 60-70 % от ожидаемого предела текучести, и вновь разгружается до начальной нагрузки. Дальнейшее нагружение образца производится мелкими ступенями нагрузок, соответствующих приращению напряжения примерно на 2 МПа, с последующим разгруже-нием до начального напряжения. При этом после каждой разгрузки отмечают величину остаточного удлинения.
Нагружение образца прекращается после того, как величина остаточного удлинения при начальном напряжении достигнет 0,2% расчетной длины образца lo.
236
Нагрузка, при которой произошло удлинение расчетной части образца на 0,2% его первоначального значения и следует принимать за нагрузку условного предела текучести ов,2. После определения условного предела текучести образцы подвергаются дальнейшему нагружению, до разрушения.
При испытании на растяжение ABS и PLA показывают сходные характеристики, в отличие от PET-G. PET-G обладает более высокими прочностными характеристиками, пластичен, о чем свидетельствует образование шейки при достижении предела прочности Орм, после которого начинается интенсивное развитие местной деформации и относительное удлинение, которое превосходит показатели ABS и PLA более чем в 6 раз.
Результаты обработки данных полученных при испытаниях приведены в таблице.
Механические характеристики испытуемых термопластов
Материал 00,2, МПа Ом, МПа Ор, МПа 8,% E, МПа
PET-G 43,46 71,30 30,35 33,9 3590
ABS 53,16 55,2 15,05 4,9 2400
PLA 46,7 54,8 12,1 4,8 3020
В образцах из ABS и PLA наблюдается хрупкий разрыв, с незначительным относительным сужением в контролируемой зоне. По всей длине расчетной части образцов из ABS и PLA наблюдается изменение цвета, что свидетельствует о пластической деформации в данной зоне.
Заключение. В результате проведенных исследований разработана методика проведения испытаний на растяжение изделий, изготовленных при помощи FDM печати, получены механические характеристики термопластов PET-G, AB S и PLA, близкие к заявленным производителем.
Выявлено, что продольное расположение нитей в испытуемой зоне позволяет максимально близко приблизить значение характеристик материала к заявленным производителем. Выявлено, что нарушение температурно-влажностного режима приводит к охрупчиванию материала.
Обоснована необходимость дальнейших исследований оценки влияния параметров печати, температуры и относительной влажности окружающей среды на механические характеристики термопластов.
Показана необходимость доработки существующих стандартов, касающихся испытаний пластмасс, учитывая возможности аддитивного производства. Выявленные особенности влияния технологических режимов FDM печати на механические свойства термопластов позволяют выбрать оптимальные режимы и прогнозировать свойства конкретного напечатанного изделия, что имеет существенное практическое значение для аддитивного производства с применением полимерных материалов. Результаты исследований рекомендуются для использования на предприятиях, применяющих FDM-технологию.
Список литературы
1. Гончарова О.Н. Аддитивные технологии - динамично развивающееся производство / Гончарова О.Н., Бережной Ю.М., Бессарабов Е.Н., Кадамов Е.А. и др. // Инженерный вестник Дона 2016. № 4, [Электронный ресурс] URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3931 (дата обращения: 28.02.2020).
2. Елистратова А.А., Коршакевич И.С., Тихоненко Д.В. Использование технологии 3D-печати в авиастроении // Решетневские чтения. 2014. №18. С. 244 - 246.
3. Литунов С.Н., Слободенюк В.С., Мельников Д.В. Обзор и анализ аддитивных технологий // Омский научный вестник. 2016. Часть 1. №1(145). С. 12 - 17.
4. Балашов А.В., Маркова М.И. Исследование структуры и свойств изделий, полученных 3D-печатью // Инженерный вестник Дона - 2019. № 1. [Электронный ресурс] URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5618 (дата обращения: 28.02.2020).
5. Хаширов А.С. Влияние технологических режимов FDM-печати на свойства изделий из полифениленсульфона и его композита с дискретным углеродным волокном: дис.. .к-та техн. наук: 02.00.06 / Хаширов Азамат Аскерович. Нальчик, 2019. 124 с.
6. Испытываем на разрыв пластики от BESTFILAMENT. [Электронный ресурс] URL: http://www.bestfilament.ru/blog/publ/ispytyvaem-na-razryv-plastiki (дата обращения: 27.01.2020).
7. Бошняк В.А., Языков А.В. Оценка возможности применения изделий из пластмасс, созданных посредством послойной наплавки // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. №12. C. 311-320.
8. Петров М.А., Косачев Н.В., Прокопов Ф.Б. Исследования по определению силовых характеристик процесса одноосного сжатия цилиндрических образцов, изготовленных из АБС-пластика по методу трехмерной печати // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 10. Ч. 2. С. 84-90.
Давидчук Виктор Александрович, канд. техн. наук, начальник лаборатории (научно-исследовательской), vka@mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
METHODS OF TESTING FOR TENSILE PRODUCTS MANUFACTURED USING
ADDITIVE TECHNOLOGY
V.A. Davidchuk
The paper describes the methodology for uniaxial tensile testing of thermoplastics used in additive manufacturing. The technology of manufacturing samples for testing is described. The results of experimental studies of the mechanical properties of PET-G, ABS and PLA thermoplastics manufactured by the FDM method are presented. The dependence of mechanical tests on the conditions of sample conditioning was revealed. The need to improve the existing standards for testing plastics is shown, taking into account the possibilities of additive manufacturing.
Key words: uniaxial tension, thermoplastic, additive technologies.
Davidchuk Viktor Aleksandrovich, candidate of technical science, head of the laboratory (research), vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space academy
