CC BY
25Impact Factor: SJIF 2019 - 5.11
2020 - 5.497
ISI 2019 - 0.172
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
201
УДК 678.8
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕПЛАСТИКА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ FDM-ПЕЧАТИ
СУДАН АММАР
Аспирант кафедры материаловедения и ресурсосберегающих технологий Гродненский государственный университет имени Янки Купалы, Гродно, Беларусь
СКАСКЕВИЧ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ
Заведующий кафедрой материаловедения и ресурсосберегающих технологий Гродненский государственный университет имени Янки Купалы, Гродно, Беларусь
Аннотация. В работе проведены исследования возможности получения полимерных изделий на основе полиамида 6 и его композиций методом послойного наплавления. Обоснована перспективность проведения исследований по изучению возможности применения ПА6 в сфере аддитивных технологий. Получеы опытные образцы филамента на основе УПА6-10 производства ОАО «СветлогорскХимволокно», а также опытные изделия в форме стандартных образцов для испытаний. В статье показано влияние состава полиамида 6 и технологических режимов 3Д-печати на деформационно-прочностные характеристики изделий, полученных аддитивным способом, а также на показатели точности FDM-печати. Определены технологические условия получения наиболее качественных изделий на основе полиамида 6. Проведены испытания показателей прочности напечатанных опытных изделий. Предложен механизм влияния состава и режимов формирования напечатанных изделий на их прочностные характеристики. Изучено влияние состава композиционного полимерного материала на основе ПА6 на показатели качества печати изделий. Предложены способы управления параметрами усадки изделий, получаемых методом послойного наплавления. В заключении обоснована перспективность проведения дальнейших научных исследований для создания материалов на основе алифатических полиамидов и их композитов, а также необходимость изучения влияния технологических факторов процесса переработки полиамидных филаментов в изделия методом FDM-печати. Полученные результаты исследования могут быть использованы при разработке композитов для получения полимерного филамента для обеспечения процесса FDM-печати полимерных изделий в том числе для нужд машиностроения.
Ключевые слова: FDM-печать, углепластик, технологические параметры, предел прочности, относительное удлинение, полимерные изделия_______________________
Введение. Производство полимерных изделий с применением аддитивных технологий стало доступным благодаря интенсивному развитию производства FDM-принтеров, а также расходных полимерных материалов (филаментов), что позволяет решать различные задачи производства. При этом в процессе печати обеспечивается управление основными эксплуатационными характеристиками изделий за счет выбора состава полимерного филамента, а также технологических настроек FDM-принтера. В Республике Беларусь активно и эффективно применяют алифатические полиамиды и композиты на их основе для производства конструкционных изделий с высокими значениями потребительских характеристик самого широкого назначения. При этом эффективная переработка полиамидов в изделия и реализация преимуществ и достоинств указанного термопластичного полимера при использовании различных технологий затрудняются высокими значениями гигроскопичности (до 12 мас.% при допустимом значении при переработке 0,05-0,1 мас.%) и термической усадки (до 2,5 % для ненаполненных материалов) полиамида 6. Для активного применения полиамида 6 в аддитивных технологиях это является существенным недостатком,
ОФ “Международный научно-исследовательский центр “Endless Light in Science”
Impact Factor: SJIF 2019 - 5.11
2020 - 5.497
ISI 2019 - 0.172
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
202
влияющим на качество получаемых изделий. И если с высокой склонностью к влагопоглощению переработчики полиамида эффективно справляются за счет предварительной сушки сырья и применения подогрева материала в загрузочной зоне технологического оборудования, то термическая усадка связующего требует более сложных решений. Чаще всего, снизить термическую усадку полиамидной матрицы удается за счет ее модифицирования полимерными компонентами [1], а также путем введения дисперсных и (или) волокнистых наполнителей [2]. При этом стеклянные волокна в составе полиамида 6 позволяют существенно повысить уровень деформационно-прочностных параметров изделий, а углеродные волокна увеличить ударную вязкость и износостойкость. Полиамид 6 и композиты на его основе в основном перерабатывают в изделия методами литья под давлением благодаря высоким значениям параметра текучести расплава. Применение ПА6 для FDM-печати в изделия представляется затруднительным по причине высокой текучести расплава (ПТР ПА6 210/310 более 20 г/10 мин), в связи с чем перспективным является использование композиционных составов на его основе для 3Д-печати [3-5].
В современных условиях ограничения доступности сырьевой базы, а также повышения логистических издержек поставки материальных ресурсов и комплектующих машиностроительного оборудования перспективным является изучение возможности применения отечественных полимерных композиционных материалов для получения штучных изделий в условиях предприятий, осуществляющих эксплуатацию и обслуживание оборудования, включающего в свой состав изделия на основе полимерных материалов.
Таким образом, цель работы состоит в обосновании целесообразности и эффективности применения полимерного филамента на базе полиамида 6, модифицированного углеродными волокнами, для печати полимерных изделий методом послойного наплавления.
Методика проведения исследований. Для изучения особенностей формирования структуры материала в изделиях, полученных методом 3Д печати, в данной статье авторы использовали филамент углепластика УПА6-10 ТУ РБ 00204056-086-94 в гранулах производства ОАО «СветлогорскХимволокно». Для изучения параметров полимерных изделий получали филамент диаметром 1,75 мм путем экструзии на лабораторном экструдере Z-7M (Россия) в режимах, учитывающих реологические характеристики исходного материала (температура цилиндра по зонам - 230±10 °С, температура головки - 240±10°С, частота вращения шнека -10 об/мин).
Предварительно перед печатью образцов изделий полимерный филамент подвергали термостатированию в сушильном шкафу при температуре 95±5 °С в течение 4 часов для снижения содержания влаги не более 0,1 мас%. Для оценки деформационно-прочностных характеристик материалов при одноосном растяжении и исследования особенностей формирования структуры материалов при послойном наплавлении производили печать изделия в виде стандартных лопаток (тип 1) ГОСТ 11262-80 на 3D-принтере Ultimaker 3. Параметры FDM-печати лопаток задавали в программе-слайсере CraftWare 1.19. Производили печать серии из 6 стандартных образцов в заданных технологических параметрах настроек печати за цикл (таблица).
Представляло интерес исследовать механизм формирования аутогезионных связей внутри слоевого пространства и между слоями полимерного изделия при изготовлении методом послойного наплавления. Полученные образцы полимерных изделий в виде лопаток с различным характером ориентации во внутрислоевом объеме (± 45° и 0°/90°) были подвергнуты 5 % деформации при одноосном растяжении для дальнейшего исследования хрупких сколов образов изделий, полученных в продольном оси растяжения направлении. Структуру материалов исследовали методом сканирующей электронной микроскопии на лопатках, хрупко разрушенных после выдержки в жидком азоте. При этом для проявления эффектов межслоевой аутогезии и исследования влияния наполнителей на структуру композитов в изделии, лопатки подвергали деформированию в пределах 5%-го удлинения при
ОФ “Международный научно-исследовательский центр “Endless Light in Science”
Impact Factor: SJIF 2019 - 5.11
2020 - 5.497
ISI 2019 - 0.172
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
203
одноосном растяжении. Представляло интерес провести анализ взаимодействия расплава филамента на основе полиамида в межслоевой и внутрислоевой локации.
Таблица - Параметры настроек печати исследуемых образцов
Основные параметры настройки печати УПА 6-10
Скорость перемещения сопла экструдера при печати, мм/сек 20
Толщина слоя печати, мм 0,2
Ширина печати, мм 0,4
Количество слоев периметра изделия 2
Температура стола, °С 70
Температура экструзии,°С 250
Проведен анализ морфологии поверхности хрупкого излома образцов лопаток на базе углепластика УПА 6/10, полученных FDM-печатью с ориентацией полимера ±45° внутри слоев при заполнении объема изделия, на РЭМ-изображениях поверхности, представленных на рисунке 1. Снимок поверхности образца в пределах межслоевого хрупкого скола показан на рисунке 1 а, где видно несколько смежных слоев волокон с ориентацией печати в слое под углами +45° и -45°. На рисунке 1а можно выделить несколько важных морфологических особенностей разрушения полимерного связующего: пустоты между слоями, возникающие в результате процесса ЗД-печати, слои с шероховатой морфологией поверхности разрушения и слои с более гладкой поверхностью. Для детального отображения характера контакта смежных слоев приведено увеличение области съемки (рис. 1 б). Представленные изображения свидетельствует о том, что между нитями между слоями характерна недостаточная адгезия вдоль оси растяжения, при котором происходит рост образовавшейся трещины. Так же может быть отмечена шероховатая поверхность излома в межслоевой области где отмечается фибрилляция полимерного связующего с образованием нитевидных фрагментов.
Такой характер разрушения углепластика УПА 6/10 позволяет предполагать, что перпендикулярно ориентированные к оси растяжения слои связующего затрудняют рост трещин. При этом участие оставшихся слоев материала в механизме сопротивления разрушения матрицы можно считать незначительным из-за недостаточной адгезии между ними, обусловленной ограниченной подвижностью связующего полимера, наполненного углеродными волокнами.
Также заметна роль коротких элементов углеродного волокна, содержащегося в матрице ПА6 в процессе деформационного разрушения слоистой структуры изделия из углепластика. Фибриляция полимерной матрицы при одноосном растяжении угленаполненного образца ПА6 предполагает реализацию локального механизма упрочнения полимерной матрицы в изделии, сформированном методом FDM-печати.
ОФ “Международный научно-исследовательский центр “Endless Light in Science’
Impact Factor: SJIF 2019 - 5.11
2020 - 5.497
ISI 2019 - 0.172
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
204
б)
в) г)
а) общий вид морфологии поверхности излома образца в межслоевой локации (увеличение х100); б) крупный план поверхностных элементов в смежных слоях (увеличение х500); в) общий вид морфологии поверхности излома образца во внутрислоевой локации (увеличение х100); г) крупный план поверхностных элементов в пределах слоя (увеличение
х500)
Рисунок 1 - РЭМ-изображения поверхностей хрупкого излома образцов с ориентацией печати
± 45°
При этом в пределах отпечатанного слоя наблюдается достаточно прочное аутогезионное сцепление во внутрислоевой локации матрицы, наблюдаемое на изображении морфологии хрупкого излома образца (рис. 1 в). Это объясняется хорошими реологическими характеристиками ПА6, способствующими реализации явления аутогезии между нитями полимера в пределах печатаемого слоя. На рисунке 1 г показано, что следы шероховатости поверхности излома сосредоточены вдоль коротких волокон. Такой факт подтверждает предположение о том, что короткие углеродные волокна способствуют усилению аутогезии в процессе FDM-печати полимерных изделий на основе углепластика.
На рисунке 2 представлены РЭМ-изображения поверхностей хрупкого скола образцов на основе углепластика УПА6-10, полученных при ориентации направления печати в слое 0°/90°. Поверхность хрупко разрушенного образца, представляющее межслоевое пространство матрицы показана на рисунке 2 а. На изображении представлены слои, расположенные под углом 0° и под углом 90°. При этом слои, находящиеся под углом 0° в условиях предварительного 5%-ого деформирования, имеют шероховатую поверхность, а слои под углом 90° - сохраняют гладкий вид. Увеличенный вид поверхности скола данного образка представлен на рисунке 2 б. Следует отметить следы вытягивания волокон в слоях,
ОФ “Международный научно-исследовательский центр “Endless Light in Science”
Impact Factor: SJIF 2019 - 5.11
2020 - 5.497
ISI 2019 - 0.172
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
205
расположенных под углом 0°, которые указывают на течение процессов фибрилляции полиамидного связующего при деформировании.
а)
в)
б)
г)
а) общий вид морфологии поверхности излома образца в межслоевой локации (увеличение *100); б) крупный план поверхностных элементов в смежных слоях (увеличение *500); в) общий вид морфологии поверхности излома образца во внутрислоевой локации (увеличение *100); г) крупный план поверхностных элементов в пределах слоя (увеличение
*500)
Рисунок 2 - РЭМ-изображения поверхностей хрупкого излома образцов с ориентацией
печати 0°/90°
Морфология поверхности хрупкого скола образца исследуемого углепластика с углом ориентации полимера 0°/90° демонстрирует аналогичную морфологическую картину, как и в случае печати изделий с ориентацией ± 45°. Поверхность хрупкого разрушения углепластика содержит следы ворса полимерных фибрилл разрушенных нитей. Представленные изображения указывают на некоторое сходство механизма разрушения в случае с деформированием образца, полученного при печати с ориентацией ± 45°.
Таким образом, результаты исследования строения полимерных изделий на основе углепластика УПА6-10, указывают на перспективность применения полиамида в состоянии композита. Эффективность печати УПА6-10 в изделии достигается обеспечением стабильной геометрии полимерного филамента, а также выбором оптимальных параметров ЗД-печати. Полученные результаты работы могут быть учтены при определении технологических режимов производства филаментов углепластиков, а также при выборе режимов FDM-печати тонкослойных элементов полимерных конструкций и элементов деталей, наиболее
ОФ “Международный научно-исследовательский центр “Endless Light in Science”
Impact Factor: SJIF 2019 - 5.11
2020 - 5.497
ISI 2019 - 0.172
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
206
нагруженных при эксплуатации. Полученные данные указывают на перспективность проведения научных исследований в создания материалов на основе алифатических полиамидов и их композитов, а также изучения влияния технологических факторов процесса переработки полиамидных филаментов в изделия методом FDM-печати.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нанокомпозиционные и наноструктурные машиностроительные материалы и технологии их получения. Монография / С.В. Авдейчик и [др.], Под ред. А.В. Киричека. - М.: Издательский дом «Спектр», 2013. - 224 с.
2. Лиопо, В. А. Физические основы модифицирования полимеров допинговыми добавками слоистых минералов / В. А. Лиопо, Г. А. Кузнецова, В. А. Струк, А. А. Скаскевич // Материалы, технологии, инструменты. - 2002. - Т. 7, № 4. - С. 54-58.
3. Skaskevich, A. A. Influence of technological parameters of FDM-print on the strength characteristics of samples of polyamide / A. A. Skaskevich, A. Sudan, D. Dzhendov // Machines. Technologies. Materials. - 2020. - Т. XIV. - № 5. - С. 210-212.
4. Скаскевич, А. А. Особенности формирования структуры полимерных изделий на основе углепластиков, полученных методом FFF-печати / А. А. Скаскевич, А. С. Судан // Нефтехимия-2021 : материалы IV Междунар. науч.-техн. форума по хим. технологиям и нефтегазоперераб., Минск, 22-23 нояб. 2021 г. - Минск : БГТУ, 2021. -С. 88-91.
5. Судан, А. О перспективах производства филаментов на базе полиамида 6 для FDM-печати / А. Судан, А. Н. Гайдук, А. А. Скаскевич // Весшк Гродзенскага дзяржаунага ушверсггэта iмя Яню Купалы. Сер. 6. Тэхшка. - 2021. - Т. 11. - № 2. - С. 83-90.
ОФ “Международный научно-исследовательский центр “Endless Light in Science’
