UDC 67.02, 620.172.2, 004.9

UNTERSUCHUNG DER FESTIGKEITSMERKMALE VON MODELLMATERIALIEN, DIE DURCH FDM-DRUCKVERFAHREN MIT ABS-KUNSTSTOFF ERHALTEN WURDEN.

Kamonitschkina Natalia Vladimirovna

1. Jahr Meister

Abteilung für Werkstoffverarbeitungstechnologien

Staatliche Technische Universität Moskau N.E.Bauman

Wissenschaftlicher Berater: I. V. Kocheshkov

Kandidat der Technischen Wissenschaften, außerordentlicher Professor der Abteilung für Materialverarbeitungstechnologie"

Die Relevanz der Arbeit und die Ziele der Forschung.

Additive Technologien zählen derzeit zu den sich am dynamischsten entwickelnden Bereichen der digitalen Produktion. Diese Technologie bietet großes Potenzial für die Herstellung von technischen Produkten und Reparaturarbeiten. Additive Technologien basieren auf dem Einsatz von 3D-Druckern [1]. Von den sieben in [3] beschriebenen Grundprinzipien des 1D-Druckverfahrens ist die Extrusion von Material, das selektiv durch eine Düse oder einen Strahl zugeführt wird, heute das am weitesten verbreitete. Diese Art des 3D-Drucks wird in der Fachliteratur üblicherweise als FDM-Druck (Fused Deposition Modeling) bezeichnet.

Die weit verbreitete Verwendung des FDM-Drucks erklärt sich aus der relativen Billigkeit dieser Art von 3D-Druckern und den breiten technologischen Möglichkeiten bei der Herstellung verschiedener Arten von Produkten. Es kann jedoch nicht argumentiert werden, dass die Festigkeitseigenschaften des Materials von durch FDM-Druck erhaltenen Teilen den Festigkeitseigenschaften des Materials der in diesem Fall verwendeten Filamente entsprechen. Das Aufbringen alternierender Schichten durch sukzessives Verschmelzen von Filamenten führt zur Bildung einer mehrstufigen physikalischen Struktur des Materials. Die gebildete Struktur kann sich in der Anisotropie der Eigenschaften in Bezug auf die Verlegerichtung der Fäden, dem Unterschied der Dicken der verlegten Schichten, dem Vorhandensein verschiedener Arten von Fehlern und der Originalität der Zerstörungsmechanismen des Materials unterscheiden. Die oben aufgeführten Faktoren spiegeln sich in den Festigkeitseigenschaften der erhaltenen Materialien wider.

Kunststoffe sind die am häufigsten verwendeten Materialien zur Herstellung von Produkten durch FDM-Druck. Ein Beispiel für einen häufig im 3D-Druck verwendeten Kunststoff ist ABS-Kunststoff. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Festigkeitseigenschaften des Materials zu untersuchen, das durch FDM-Druck mit ABS-Kunststoff erhalten wird.

Beschreibung der Technik und Bedingungen für die Herstellung von Proben.

Das durch FDM-Druck erhaltene Material kann eine andere Struktur haben, wird jedoch notwendigerweise aus einem Satz von Volumen mit unidirektional gelegten Fäden bestehen. Dies wird durch die technologischen Merkmale der Implementierung des FDM-Drucks bestimmt. Um die Festigkeitseigenschaften des durch FDM-Druck erhaltenen Materials zu bestimmen, ist es daher zunächst erforderlich, die Festigkeit des Modellmaterials bei unidirektional gelegten Fäden zu untersuchen. Um die Festigkeitseigenschaften des Materials und die Anisotropie der Eigenschaften zu beurteilen, müssen Versuche entlang und quer zur Verlegerichtung der Fäden durchgeführt werden.

Form und Abmessungen der Proben für den Zugversuch wurden gemäß GOST 11262-80 „Kunststoffe. Zugprüfverfahren“ ermittelt. Für die Untersuchung wurde der zweite Probentyp ausgewählt (Abb. 1). Der 3D-Druck erfolgte mit einem Monofilament aus ABS+-Kunststoff von StreamPlast, geliefert gemäß den technischen Spezifikationen – TU 2291-001-24687042-2016. Gemäß diesen technischen Spezifikationen muss das Monofilament eine Zugfestigkeit von mindestens 47 MPa aufweisen und der Druck muss im Temperaturbereich von 220–250 °C erfolgen.0C.

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Abb. 1 Skizze einer Zugprobe.

Mit dem 3D-Druck können Sie sofort Proben für Zugfestigkeitsprüfungen herstellen, ohne die Schritte des Erhaltens eines Primärrohlings und des anschließenden Schneidens von Proben daraus zu umgehen. Das Gewindelegeverfahren (G-Code) wurde im Programm Simplify3D Version 4.0 gemäß GOST 20999-83 „Numerische Steuergeräte für Metallbearbeitungsgeräte“ erstellt. Codierung von Informationen von Steuerprogrammen "unter Berücksichtigung der Lage der Fäden im Arbeitsteil der Probe entlang oder quer zur Streckrichtung. Der FDM-Druck wurde auf einem PicasoDesignerPro3 250D-Drucker mit einem Extruderdüsendurchmesser von 0,3 mm durchgeführt.

Um die Haftung des Materials zu verbessern, wurde der Tisch vor dem Drucken mit einem speziellen Bindemittel der Marke The3D bedeckt. Die Tischtemperatur betrug 1100C, und die Extruderdüsentemperatur beträgt 2400C. Das Drucken wurde in drei Modi durchgeführt:

  • Modus 1: bei der Geschwindigkeit der Düse des Extruders Vс= 30 mm / s und die Dicke der verlegten Fadenschicht hcl= 100 µm;
  • Modus 2: bei der Geschwindigkeit der Düse des Extruders Vс= 45 mm / s und die Dicke der verlegten Fadenschicht hcl= 150 µm;
  • Modus 3: bei der Geschwindigkeit der Düse des Extruders Vс= 60 mm / s und die Dicke der verlegten Fadenschicht hcl= 200 µm;

Die erhaltenen Proben wurden auf Zugfestigkeit bei einer Spreizgeschwindigkeit der Klemmen der Prüfmaschine getestet, die 1 ± 0,5 mm / s entspricht (die minimale Spreizgeschwindigkeit der Klemmen der Prüfmaschine gemäß GOST 11262-80).

Diskussion der erhaltenen experimentellen Daten.

In Abb. 2. Aus den präsentierten Daten ist ersichtlich, dass die Zugfestigkeit des Materials, die durch alle drei Modi des 3D-Drucks in Richtung des Verlegens der Fäden erhalten wird, in ihren Werten nahe bei 31-33,5 MPa liegt. Wenn wir die Herstellerangaben zur Stärke des im FDM-Druck verwendeten Monofilaments (47 MPa) verwenden, dann liegen diese Werte um etwa 31% niedriger. Für einen genaueren Vergleich der Festigkeitsniveaus dieser beiden Materialien muss jedoch geklärt werden, wie die Testbedingungen für Monofilamente mit den Bedingungen ihrer Belastung im Modellmaterial übereinstimmen.

Die Festigkeit des Modellmaterials über die Filamente ist deutlich geringer und hängt stärker von den FDM-Druckmodi ab (Abb. 2). Die Geschwindigkeit der Extruderdüse in Verbindung mit der Dicke der aufgetragenen Schicht beeinflusst die Klebkraft der Filamente. Dies ist auf die Wärmeausbreitung von der Düse in das Material zurückzuführen. Bei hoher Druckgeschwindigkeit wird an einer bestimmten Stelle weniger Wärme auf den Kunststoff übertragen als bei niedriger Geschwindigkeit. Wenn Sie eine kleine Schicht mit niedriger Geschwindigkeit drucken, kann zu viel Wärme abgegeben werden. Dies erhöht die Haftung, es besteht jedoch die Gefahr von Durchbiegungsfehlern des Kunststoffs. Umgekehrt wird beim 3D-Drucken mit einer dickeren Schicht bei hoher Geschwindigkeit möglicherweise nicht genug Wärme vorhanden, um eine gute Haftung zwischen den Filamenten zu bilden.

Diese Annahme wird durch die erhaltenen experimentellen Daten bestätigt (Abb. 2). Im Modus 1 (minimale Druckgeschwindigkeit und Dicke der verlegten Schicht) ist die Festigkeit des Modellmaterials quer zur Fadenverlegung maximal und beträgt 20,2 MPa (67 % der Festigkeit des Materials entlang der Fadenverlegung), im Modus 2 14 MPa (41 % der Festigkeit des Materials entlang der Fadenverlegung) und im Modus 3 15,9 MPa (51 % der Festigkeit des Materials entlang der Fadenverlegung). Das heißt, beim Wechsel von Modus 1 zu Modus 2 des 3D-Drucks nimmt die Zugfestigkeit von Proben mit quer verlaufender Fadenverlegung ab, da die erhöhte Dicke der verlegten Fadenschicht stärker beeinflusst wird als eine Erhöhung der Druckgeschwindigkeit. Beim Wechsel von Modus 2 zu Modus 3 überwiegt die Erhöhung der Druckgeschwindigkeit, was zu einer leichten Erhöhung der Materialfestigkeit führt (Abb. 2).

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Reis. 2 Abhängigkeit der Zugfestigkeit σрModellmaterial mit Längs- und Querverlegung von Fäden, erhalten in verschiedenen 3D-Druckmodi (Modus 1 - Vс= 30 mm / s, hcl=100 µm; Modus 2 - Vс= 45 mm / s, hcl=150 µm; Modus 3 - Vс= 60 mm / s, hcl= 200 μm.)

Proben des Modellmaterials mit Längs- und Querfilamenten weisen unterschiedliche Zugdiagramme und Bruchflächen auf. Wenn das Zugdiagramm von Proben mit Querfilamentpackung eine charakteristische Form für Sprödbruch aufweist, wird im Zugdiagramm von Proben mit Längsfilamentpackung nach einer leichten Abnahme der Zugkraft nach Erreichen eines Maximums ihre allmähliche Abnahme beobachtet, bis der Moment des Versagens der Probe.

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Reis. 3 Die Art der Zerstörung von Proben mit Quer- (a) und Längs- (b) Verlegung von Fäden.

Proben mit Querfaserpackung (Abb. 3a) haben eine absolut ebene Bruchfläche, während Proben mit Längsfaserpackung (Abb. 3b) eine entwickelte Bruchfläche aufweisen. Bei der Untersuchung dieser Brüche mit einem Lichtmikroskop ist zu erkennen, dass die Zerstörung des Materials beim Querlegen der Fasern in einer Ebene (Abb. 4a) entlang der Oberfläche der gelegten Fäden erfolgt. Der Bruch des Modellmaterials mit längsgerichteter Faserpackung (Abb.4b) hat einen entwickelten Charakter. Der Bruch tritt in verschiedenen Ebenen auf, und beim Bruch werden sowohl Schadensakkumulationsbereiche als auch flache Zonen beobachtet, die für die Hauptrissausbreitung charakteristisch sind.

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Reis. 4 Ansicht des Bruchs von Proben mit Quer- (a) und Längs- (b) Verlegung von Fäden.

Fazit

  • Für das durch FDM-Druck mit ABS-Kunststoff erhaltene Modellmaterial zeigte sich beim Verlegen der Fäden entlang der Belastungsrichtung keine Abhängigkeit der Zugfestigkeit von den 3D-Druckmodi. Die Festigkeit in allen Druckmodi betrug 31-33,5 MPa, was etwa 31 % niedriger ist als die vom Hersteller angegebene Festigkeit der Monofilamente.
  • Die Festigkeit des Modellmaterials mit Querverlegung der Fäden beträgt 41–67 % der Festigkeit, die bei Tests entlang der Faserverlegung erreicht wurde. Diese Festigkeit hängt von den 3D-Druckmodi ab. Der Maximalwert – 20,2 MPa – wurde im Modus 1 bei der Extruderdüsengeschwindigkeit V erreicht.с= 30 mm / s und die Dicke der verlegten Fadenschicht hcl=100 µm, und der Mindestwert von 14 MPa wird im Modus 2 bei V beobachtetс= 30 mm / s und hcl= 100 μm.
  • Proben des Modellmaterials mit Längs- und Querverlegung von Fäden haben eine unterschiedliche Art und Art der Bruchfläche:
  • wenn sie quer gelegt werden, wird eine absolut ebene Zerstörungsfläche an der Verbindung der abgelegten Filamente beobachtet, und daher ist das Ausmaß der Adhäsion zwischen ihnen der wichtigste Faktor, der den Festigkeitswert beeinflusst;
  • wenn sie in Längsrichtung verlegt werden, hat der Bruch des Materials einen entwickelten Charakter sowohl mit Bereichen der Schadensakkumulation als auch mit Zonen der Hauptrissausbreitung. In weiteren Studien ist es ratsam, ein Material mit einer Längspackung von Fäden als Bündel verbundener Fasern zu betrachten, was die Zerstörungsmechanismen eines solchen Materials aufdecken kann.

 

Literatur

  1. GOST R 57558-2-017 „Additive Fertigungsverfahren. Grundprinzipien“Getestete Proben:

 

Bruch von Proben unter dem Mikroskop:

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