UDC 67.02, 620.172.2, 004.9

AZ FDM-NYOMTATÁSI MÓDSZERrel, ABS-MŰANYAGOT HASZNÁLÓ MODELLANYAG ERŐSSÉGI JELLEMZŐINEK VIZSGÁLATA.

Kamonichkina Natalia Vladimirovna

1. éves mester

Anyagfeldolgozási Technológiák Tanszék

Moszkvai Állami Műszaki Egyetem N.E. Bauman

Tudományos tanácsadó: I. V. Kocheshkov

Műszaki tudományok kandidátusa, az Anyagfeldolgozási Technológiai Tanszék docense

A munka relevanciája és a kutatás céljai.

Az additív technológiák jelenleg a „digitális” gyártás egyik legdinamikusabban fejlődő területei. Ez a fajta technológia nagy potenciállal rendelkezik a mérnöki termékek és a javítási munkák gyártásában. Az additív technológiák a 3D nyomtatók használatán alapulnak [1]. A 3D nyomtatási folyamat [1]-ben említett hét alapelve közül ma a legszélesebb körben alkalmazott az anyag extrudálása, amelyet szelektíven adagolnak egy fúvókán vagy fúvókán keresztül. Ezt a 3D nyomtatási típust a szakirodalomban általában FDM nyomtatásnak (Fused Deposition Modeling) nevezik.

Az FDM-nyomtatás széles körű elterjedését az ilyen típusú 3D-nyomtatók relatív olcsósága és a széles körű technológiai lehetőségek magyarázzák a különböző típusú termékek gyártásában. Nem vitatható azonban, hogy az FDM nyomtatással nyert alkatrészek anyagának szilárdsági jellemzői megfelelnek az ebben az esetben használt szálak anyagának szilárdsági tulajdonságainak. A váltakozó rétegek felvitele szálak egymás utáni összeolvasztásával az anyag többszintű fizikai szerkezetének kialakulásához vezet. A kialakított szerkezet eltérhet a tulajdonságok anizotrópiájától a menetek lefektetésének irányához, a lefektetett rétegek vastagságának különbségéhez, a különböző típusú hibák jelenlétéhez és az anyagpusztítás mechanizmusainak eredetiségéhez képest. A fent felsorolt ​​tényezők tükröződnek a kapott anyagok szilárdsági jellemzőiben.

A műanyagok a legelterjedtebb anyagok FDM nyomtatással előállított termékekhez. A 3D nyomtatásban általánosan használt műanyag például az ABS műanyag. Ezért ennek a munkának az a célja, hogy tanulmányozza az FDM nyomtatással kapott anyag szilárdsági jellemzőit ABS műanyag használatával.

A mintavétel technikájának és feltételeinek leírása.

Az FDM nyomtatással nyert anyag eltérő szerkezetű lehet, de szükségszerűen egy egyirányúan elhelyezett szálakkal rendelkező kötetekből áll. Ezt az FDM nyomtatás megvalósításának technológiai jellemzői határozzák meg. Ezért az FDM-nyomtatással nyert anyag szilárdsági tulajdonságainak meghatározásához mindenekelőtt meg kell vizsgálni a modellanyag szilárdságát egyirányúan elhelyezett menetekkel. Az anyag szilárdsági jellemzőinek és a tulajdonságok anizotrópiájának felmérése érdekében vizsgálatokat kell végezni a menetek lefektetése irányában és mentén.

A szakítóvizsgálathoz használt minták alakját és méreteit a GOST 11262-80 „Műanyagok. Szakítóvizsgálati módszer” szabvány szerint vettük fel. A kutatáshoz a második típusú mintát választottuk ki (1. ábra). A 3D nyomtatást a StreamPlast ABS+ műanyagból készült monofilével végeztük, amelyet a TU 2291-001-24687042-2016 számú műszaki specifikáció szerint szállítottunk. Ezen műszaki specifikációknak megfelelően a monofil szakítószilárdságának legalább 47 MPa-nak kell lennie, a nyomtatást pedig 220-250 °C hőmérsékleti tartományban kell elvégezni.0C.

1

1. ábra Egy szakítóvizsgálati minta vázlata.

A 3D nyomtatás lehetővé teszi, hogy azonnal mintákat állítson elő szakítószilárdsági vizsgálatokhoz, megkerülve az elsődleges nyersdarab beszerzésének lépéseit és a minták későbbi levágását. A menetfektetési eljárást (G-kód) a Simplify3D 4.0 verziójú programjában készítették el a GOST 20999-83 „Fémmegmunkáló berendezések numerikus vezérlőberendezései” szerint. A vezérlőprogramok információinak kódolása ", figyelembe véve a szálak elhelyezkedését a minta munkarészében a nyújtás irányában vagy az irányban. Az FDM nyomtatást PicasoDesignerPro3 250D nyomtatóval végeztük, 0,3 mm extruder fúvóka átmérővel.

Nyomtatás előtt az anyag tapadásának javítása érdekében az asztalt a The3D márkájú speciális kötőanyaggal borították. Az asztal hőmérséklete 110 volt0C, és az extruder fúvóka hőmérséklete 2400C. A nyomtatás három módban történt:

  • 1. mód: az extruder fúvókájának sebességével Vс= 30 mm / s és a lefektetett menetréteg vastagsága hcl= 100 μm;
  • 2. mód: az extruder fúvókájának sebességével Vс= 45 mm / s és a lefektetett menetréteg vastagsága hcl= 150 μm;
  • 3. mód: az extruder fúvókájának sebességével Vс= 60 mm / s és a lefektetett menetréteg vastagsága hcl= 200 μm;

A kapott mintákat szakítószilárdságukra teszteltük a vizsgálógép bilincsének 1 ± 0,5 mm / s (a vizsgálógép bilincseinek minimális szétszórási sebessége, amelyet a GOST 11262-80 előír) minimális sebességével.

A kapott kísérleti adatok megbeszélése.

Az FDM-nyomtatással, ABS műanyag felhasználásával kapott anyag tesztelési eredményeire vonatkozó kísérleti adatok a menetek lefektetése mentén és azok mentén láthatók. 2. A bemutatott adatokból látható, hogy az anyag szakítószilárdsága, amelyet mindhárom 3D nyomtatási móddal a menetek lefektetése irányában nyert, értékeiben közel van, és 31-33,5 MPa szinten van . Ha a gyártó FDM nyomtatásban használt monofil szilárdságára vonatkozó adatait használjuk (47 MPa), akkor ezek az értékek körülbelül 31% -kal alacsonyabbak. E két anyag szilárdsági szintjének pontosabb összehasonlítása érdekében azonban tisztázni kell, hogy a monofil szálak vizsgálati körülményei hogyan esnek egybe a modellanyagba való betöltés feltételeivel.

A modell anyagának szálai közötti szilárdsága lényegesen alacsonyabb, és erősebben függ az FDM nyomtatási módoktól (2. ábra). Az extruder fúvóka sebessége az alkalmazott réteg vastagságával együtt befolyásolja a szálak kötési szilárdságát. Ez annak köszönhető, hogy a hő eloszlik a fúvókából az anyagba. Nagy nyomtatási sebesség mellett, adott időpontban kevesebb hő kerül a műanyagba egy adott ponton, mint alacsony sebességnél. Ha kis réteget nyomtat alacsony sebességgel, túl sok hőt bocsáthat ki. Ez növeli a tapadást, de fennáll a műanyag megereszkedési hibák veszélye. Ezzel szemben, ha vastag rétegű 3D nyomtatást végez nagy sebességgel, előfordulhat, hogy nincs elegendő hő ahhoz, hogy jó tapadást biztosítson a szálak között.

A feltételezést a kapott kísérleti adatok is megerősítik (2. ábra). Az 1. módban (minimális nyomtatási sebesség és a rétegvastagság) a modellanyag szilárdsága a szálfektetés mentén maximális, és 20,2 MPa (az anyag szilárdságának 67%-a a szálfektetés mentén), a 2. módban - 14 MPa (az anyag szilárdságának 41%-a a szálfektetés mentén), és a 3. módban - 15,9 MPa (az anyag szilárdságának 51%-a a szálfektetés mentén). Vagyis a 1D nyomtatás 2. módjáról 3. módjára való váltáskor a keresztirányú szálfektetésű minták szakítószilárdsága csökken, mivel a lefektetett szálréteg vastagságának növekedése erősebben befolyásolja a nyomtatási sebesség növekedését. A 2. módról 3. módra való váltáskor pedig a nyomtatási sebesség növekedése fejti ki a domináns hatást, ami az anyag szilárdságának enyhe növekedéséhez vezet (2. ábra).

2

Rizs. 2 A szakítószilárdság függvénye σрkülönböző 3D nyomtatási módokban (1. mód - V) kapott hossz- és keresztirányú szálelrendezésű modellanyagс= 30mm / sec, hcl=100 µm; 2. mód - Vс= 45 mm / sec, hcl=150 µm; 3. mód - Vс= 60 mm / sec, hcl= 200 μm.)

A hosszanti és keresztirányú szálakat tartalmazó modell anyagmintái különböző típusú húzó diagramokkal és törési felületekkel rendelkeznek. Ha a keresztirányú száltömítésű minták húzási diagramjának jellegzetes formája van a törékeny törésre, akkor a hosszanti izzószál tömörítésű minták húzási diagramján a húzóerő kismértékű csökkenése után, a maximum elérése után fokozatos csökkenése figyelhető meg, amíg a minta meghibásodásának pillanata.

3

Rizs. 3 A minták megsemmisítésének jellege a menetek keresztirányú (a) és hosszanti (b) fektetésével.

A keresztirányú száltömítésű minták (3a. Ábra) abszolút sík törésfelülettel rendelkeznek, míg a hosszanti száltömítésű minták (3b. Ábra) fejlett törésfelülettel rendelkeznek. Ha ezeket a töréseket optikai mikroszkóppal vizsgáljuk, látható, hogy az anyag megsemmisülése a szálak keresztirányú fektetésével egy síkban történik (4a. Ábra) a lefektetett szálak felülete mentén. A modell anyagának törése a szálak hosszirányú csomagolásával (4.b ábra) fejlett karakterű. A törés különböző síkokban fordul elő, és a törésnél mind a sérülésfelhalmozási területek, mind a fő repedésterjedésre jellemző lapos zónák megfigyelhetők.

4

Rizs. 4 A minták törésének nézete a menetek keresztirányú (a) és hosszanti (b) fektetésével.

Következtetés

  • Az ABS műanyaggal végzett FDM-nyomtatással nyert modellanyag esetében, amikor a meneteket a terhelési alkalmazás iránya mentén fektetik le, a szakítószilárdság nem függ a 3D nyomtatási módoktól. A szilárdság minden nyomtatási módban 31-33,5 MPa volt, ami körülbelül 31% -kal alacsonyabb, mint a gyártó által megadott monofilszálak szilárdsága.
  • A szálak keresztirányú fektetésével készült modellanyag szilárdsága a szálak fektetése mentén végzett vizsgálat során kapott szilárdság 41-67%-a. Ez a szilárdság a 3D nyomtatási módoktól függ. A maximális értéket - 20,2 MPa - az 1. módban, V extruder fúvókasebességnél érték el.с= 30 mm / s és a lefektetett menetréteg vastagsága hcl=100 µm, és a 14 MPa minimális érték a 2. módban, V értéken figyelhető meg.с= 30 mm / s és hcl= 100 μm.
  • A modell anyagának mintái a menetek hosszirányú és keresztirányú fektetésével különböző típusú és típusú törési felülettel rendelkeznek:
  • amikor keresztirányban fektetik, a lerakódott szálak találkozásánál abszolút sík pusztulási felület figyelhető meg, és ezért a köztük lévő tapadás mértéke a legfontosabb tényező, amely befolyásolja az erő értékét;
  • ha hosszirányban fektetik, az anyag törése fejlett jelleget mutat a sérülések felhalmozódásának területeivel és a repedések fő terjedési zónáival együtt. A további vizsgálatok során célszerű a szálak hosszanti csomagolású anyagát összekötött szálak kötegének tekinteni, amelyek felfedhetik az ilyen anyag megsemmisítésének mechanizmusait.

 

Irodalom

  1. GOST R 57558-2-017 "Additív gyártási folyamatok. Alapelvek" Vizsgált minták:

 

A minták törése mikroszkóp alatt:

Címkék: , , ,