CC BY
9МЕТОДЫ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ 3D ПЕЧАТИ МАТЕРИАЛАМИ С БОЛЬШИМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ _ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСШИРЕНИЯ
Дмитренко Александр Алексеевич
Аспирант
Донской Государственный Технический Университет
г. Ростов-на-Дону
METHODS OF COMPENSATION OF TEMPERATURE DEFORMATIONS APPEARING DURING 3D PRINTING PROCESS USING HIGH THERMAL EXPANSION MATERIALS
Dmitrenko Aleksandr Alekseevich, Graduate student, Don State Technical University, Rostov-on-Don АННОТАЦИЯ
Рассмотрены методы компенсации температурных деформаций деталей, изготовленных из материалов с высокими коэффициентами температурного расширения, на основе изучения визуализации программными средствами твердотельных математических моделей конечно-элементного моделирования. ABSTRACT
Considered methods of compensation of temperature deformations parts, made by high thermal expansion materials, based on the study of computer visualization using finite element method.
Ключевые слова: конечно-элементное моделирование, температурные деформации, 3D печать. Key words: finite element modeling, thermal expansion, temperature deformation.
При печати крупногабаритных объектов зачастую возникают их значительные деформации не связанные непосредственно с проблемами процесса печати и позиционирования печатающей головки.
Производители пластика, в частности, наиболее часто используемого ABS пластика, не рекомендуют пе-
чать объектов, линейными размерами превышающих 100 мм (модель куба). Это связанно с температурными деформациями заготовок при печати. Причина их возникновения в достаточно большом значении коэффициента температурного расширения для данного вида пластика:
Рис. 1 Выдержка из таблицы температурных коэффициентов для ABS пластика
И связанным с ним малым коэффициентом те- ленных вдоль оси координат Y и приводящих к отрыву, плопроводности. Оба фактора приводят к возникно- в дальнейшем, заготовки от подложки. вению значительных напряжений, изначально направ-
Рис.2 Пример деформации края заготовки
А для тонкостенных и относительно плоских по другим осям заготовок, к тому же, к полному искажению их формы.
Возникновение столь значительных деформаций именно по оси Y обусловлено самим методом 3д печати. Поскольку печатающая головка вынуждена наносить материал послойно и имеет относительно невысокую линейную скорость прохождения слоя, каждый следующий разогретый слой материала наносится на
уже остывший. Тем самым приводя к возникновению направленных к центру заготовки напряжений, усиливающихся с каждым слоем. Мы наблюдаем процесс, похожий на натягивание тетивы лука. Отрыв заготовки от подложки, таким образом, обусловлен самим принципом процесса печати и является неизбежным. Однако существует возможность сократить и сбалансировать напряжения в достаточной степени, чтобы обеспечить отсутствие деформаций для выбранных
размеров объекта.
Было выбрано 3 представленных ниже метода, взаимодополняющих друг друга, но так же возможных к использованию по отдельности, при печати объектов, в которых угроза деформации оказывается предсказуемо невелика.
Методы выбраны эмпирически, путем сравнения с другими, оказавшимися менее успешными и/или более затратными, а также и вовсе не исполнимыми на практике (проверка возможности печати в горизонтальной плоскости, последовательное незначительное увеличение линейных размеров каждого следующего слоя печати и т.д.). Однако для сокращения времени тестирования и получения возможности непосредственной оценки (в том числе и количественной) в процессе их применения, проведены в условиях твердотельного 3д моделирования методом конечных элементом, с использованием программного обеспечения SolidWorks. Подобный подход позволяет значительно облегчить проведение эмпирических наблюдений, не проводя при этом непосредственного математического моделирования. Тем самым попадая под определение эмпирического.
Первый и наиболее простой метод состоит в увеличении площади подложки с целью повышения адгезии. Он, очевидно, не позволяет уменьшить напряжения заготовки, однако препятствует им спровоцировать деформации. Метод не является затратным и позволяет, в отличии от других, совершенно не менять геометрию объекта печати. На основе полученных данных невозможно пока составить полную картину применения данного метода в отдельности, однако удалось установить, что наиболее применимые практические результаты достигаются при увеличении площади подложки приблизительно на 50-60% Что, по-видимому, связанно с ее относительно малыми прочностными характеристиками. В дальнейшем возникает излом подложки, тем самым делая сокращая или полностью сводя к нулю полезность адгезии дальних ее от заготовки краев, даже если они и остаются.
Второй метод состоит в возможности сократить напряжения путем сокращение непрерывной длины каждого слоя. Наиболее простой способ достигнуть этого состоит в создании сетчатой, сото-подобной структуры заполнения заготовки. Однако, в отличии от привычного заполнения в горизонтальной плоскости, ячейки сетки располагаются вертикально. Что позволяет разбить слои на отдельные сегменты без значительной потери прочности конструкции (сопоставимо с заполнением горизонтальной сеткой). Экспериментально установлено, что для ABS пластика оптимальной длиной сегмента слоя является 15-20 мм. Требуются дополнительные исследования в вопросе связанном с
оптимальной формой ячейки, однако на взгляд автора статьи наибольшим потенциалом обладает структура с круглым сечением ячейки, включающая в себя ячейки различного диаметра. Данный метод, очевидно, применим не во всех случаях, т.к. влечет за собой некоторое изменение геометрии заготовки, что не всегда возможно. И, тем не менее, использование ячеистого заполнения так или иначе часто реализуется на практике в связи с уменьшением затрат печати (по времени и материалу), а также уменьшения веса конечного изделия. Считаю возможным применение этого метода в каждом случае, когда используется подобное заполнение.
Третий метод наименее интуитивен и был обнаружен в связи с варьированием параметров ячеек для второго метода. Для сокращения напряжений необходимо разбить подложку на сегменты, вдоль наибольшего линейного размера заготовки. Таким образом получив подложку состоящую из полос материала. Экспериментально установлено, что для ABS пластика оптимальная ширина полосы составляет порядка 10мм с пропусками также порядка 10 мм. Несмотря на очевидное уменьшение адгезии, это позволяет перераспределить напряжения в заготовке, приводя к суммарному их уменьшению, что перекрывает пользу, получаемую от дополнительного материала подложки по противодействию им.
Данная статья призвана не только решить практический вопрос противодействия температурным деформациям при горячей печати пластиком (в частности ABS пластиком), но и продемонстрировать возможность применения твердотельного моделирования программными средствами, в качестве эффективной замены проведения прямых физических измерений. В особенности в вопросах, связанных с большим количеством проводимых опытов. Тем самым позволяя использовать не математический анализ модели, но аналитические способности наблюдателя, оценивающего происходящие процессы напрямую, как и в случае с проведением реальных опытов.
Список литературы:
1. «Справочник по литьевым термопластичным материалам.» И.А. Барвинский, И.Е. Барвинская 2001
2. Присекин В.Л., Расторгуев Г.И. «Основы метода конечных элементов в механике деформируемых тел.» Учебник / Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. - 238 с. (серия «Учебники НГТУ»)
3. «Low-cost 3D Printinag for Science Education and Sustainable Development» by Enrique Canessa (Editor), Carlo Fonda (Editor), Marco Zennaro (Editor). Published 2013 by The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP)
