Трансформация геометрии образца для механических испытаний конструкционных материалов в FDM-структуре

Цель – определить в первом приближении размер и форму образца для экспериментального исследования механических характеристик нитевидной структуры FDM-печати (FDM-структура) с невысоким процентом заполнения при центральном растяжении. На данном этапе разработки геометрии образца в качестве базовых были приняты размеры и форма образца, регламентированного ГОСТ 17370-2017 «Пластмассы ячеистые жесткие. Метод испытания на растяжение». В работе был задействован конечно-элементный анализ параметров напряженного состояния в автоматизированной среде, элементы теории подкрепленных оболочек и натурные испытания. Основанием для упрощения геометрии конечно-элементной модели исследуемых образцов стала теория подкрепленных оболочек. Конечно-элементный анализ выполнялся в линейной постановке, на результатах которого, в сочетании с анализом технологической модели проектируемого образца, принималось решение о трансформации геометрии образца. Для изготовления образцов применялся шаблон «линии» с ориентацией вдоль продольной оси образца. Результаты натурных испытаний являлись основанием для окончательного вывода об успешности внесенных изменений. Критерием успешности является разрушение FDM-образца в пределах рабочей части. В результате проделанной работы изменения претерпела как внешняя, так и внутренняя геометрия образца-прототипа. Это позволило сместить главный акцент в работе растягиваемого FDM-образца на его рабочую часть, скорректировать траекторию силовых потоков с поправкой на специфику FDM-печати. Натурные испытания FDM-образца с невысоким процентом заполнения шаблоном «линии» показали стабильно удовлетворительный результат: разрушения происходили в рабочей части испытываемых образцов. В ходе исследований была определена общая тенденция зависимости распределения силового потока по объему образца от сочетания траектории укладки нити печати с внешней и внутренней геометриями образца. В продолжении данных исследований планируется детальный анализ и формализация полученных результатов с распространением на разные шаблоны печати.

1. Nath S. D., Nilufar S. An Overview of additive manufacturing of polymers and associated composites // Polymers. 2020. Vol. 12. Iss. 11. Р. 2719. https://doi.org/10.3390/polym12112719.

2. Петрова Г. Н., Ларионов С. А., Сорокин А. Е., Сапего Ю. А. Современные способы переработки термопластов // Труды ВИАМ. 2017. № 11. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2017-0-11-7-7.

3. Weng Zixiang, Wang Jianlei, Senthil T., Wu Lixin. Mechanical and thermal properties of ABS/montmorillonite nanocomposites for fused deposition modeling 3D printing // Materials & Design. 2016. Vol. 102. Р. 276–283. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.04.045.

4. Divyathej M. V., Varun M., Rajeev P. Analysis of mechanical behavior of 3D printed ABS parts by experiments // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2016. Vol. 7. Iss. 3. P. 116–124.

5. Сабсай О. Ю., Чалая Н. М. Технологические свойства термопластов (обзор) // Пластические массы. 1992. № 1. С. 5–13.

6. Hanaphy P. 3D Printing industry news sliced: Velo3D, Xerox, Weta Workshop, MyMiniFactory and more [Электронный ресурс]. URL: https://3dprintingindustry.com/news/3d-printing-industrynews-sliced-velo3d-xerox-weta-workshop-myminifactoryand-more-213448/ (08.02.2022).

7. Попадюк С. От протезов до оснастки: 3D-печать термопластами и композитами на их основе [Электронный ресурс]. URL: https://blog.iqb.ru/rec-thermoplasticscomposites/?utm_source=getresponse&utm_medium=email (08.02.2022).

8. Raspopina V., Perelygina A., Shemetov L., Grigorov P. Dependence between the mechanical characteristics of the material and the FDM sample made from this material // Safety in Aviation and Space Technologies. Lecture Notes in Mechanical Engineering / eds. A. Bieliatynskyi, V. Breskich. Cham: Springer, 2022. Р. 215–227. https://doi.org/10.1007/978-3-030-85057-9_18.

9. Anitha R., Arunachalam S., Radhakrishnan P. Critical parameters influencing the quality of prototypes in fused deposition modelling // Journal of Materials Processing Technology. 2001. Vol. 118. Iss. 1-3. Р. 385–388. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(01)00980-3.

10. Варнавский А. Н., Гадельшин А. Р., Салин Д. С. Исследование влияния показателей печати на качество и соотношение цена/качество результата изготовления изделий на бюджетном 3d-принтере // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2018. Т. 3. № 12. С. 124–131. https://doi.org/10.12737/article_5c1c9969a10128.83957539.

11. Sood А. K., Ohdar R. K., Mahapatra S. S. Improving dimensional accuracy of fused deposition modelling processed part using grey Taguchi method // Materials & Design. 2009. Vol. 30. Iss. 10. Р. 4243–4252. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.04.030.

12. Кузьмин А. А., Яблокова М. А. Выбор допускаемых напряжений при расчете на прочность деталей из пластмасс // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 8-2. С. 242–246.

13. Cantrell J., Rohde S., Damiani D., Gurnani R., DiSandro L., Anton J., et al. Experimental characterization of the mechanical properties of 3D printed ABS and polycarbonate parts // Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics, Volume 3. Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series / eds. S. Yoshida, L. Lamberti, C. Sciammarella. Cham: Springer, 2017. Vol. 3. P. 89–105. https://doi.org/10.1007/978-3-319-41600-7_11.

14. Tronvoll S. A., Welo T., Elverum C. W. The effects of voids on structural properties of fused deposition modelled parts: a probabilistic approach // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. Vol. 97. P. 3607–3618. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2148-x.

15. Kovan V., Tezel T., Camurlu H. E., Topal E. S. Effect of printing parameters on mechanical properties of 3D printed PLA/carbon fibre compos // Materials Science. Non-Equilibrium Phase Transformations. 2018. Iss. 4. P. 126–128.

16. Yoojung Han, Jongjun Kim. A Study on the mechanical properties of knit fabric using 3D printing - focused on PLA, TPU Filament- // Journal of Fashion Business. 2018. Vol. 22. Iss. 4. P. 93–105. https://doi.org/10.12940/jfb.2018.22.4.93.

17. Wu Wenzheng, Ye Wenli, Geng Peng, Wang Yulei, Li Guiwei, Hu Xue, et al. 3D printing of thermoplastic PI and interlayer bonding evaluation // Materials Letters. 2018. Vol. 229. P. 206–209. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.07.020.

18. Wu Wenzheng, Geng Peng, Li Guiwei, Zhao Di, Zhang Haibo, Zhao Ji. Influence of layer thickness and raster angle on the mechanical properties of 3D-Printed PEEK and a comparative mechanical study between PEEK and ABS // Materials. 2015. Vol. 8. Iss. 9. P. 5834–5846. https://doi.org/10.3390/ma8095271.

19. Huynh Nha Uyen, Smilo Jordan, Blourchian Aryan, Karapetian A. V., Youssef G. Property-map of epoxy-treated and as-printed polymeric additively manufactured materials // International Journal of Mechanical Sciences. 2020. Vol. 181. Р. 105767. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105767.

20. Avdeev A, Shvets A, Gushchin I, Torubarov I, Drobotov A, Makarov A, et al. Strength increasing additive manufacturing fused filament fabrication technology, based on spiral toolpath material deposition // Machines. 2019. Vol. 7. Iss. 3. Р. 57. https://doi.org/10.3390/machines7030057.

21. Петров В. М., Безпальчук С. Н., Яковлев С. П. О влиянии структуры на прочность изделий из пластиков, получаемых методом 3D-печати // Вестник Государственного университета и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. 2017. Т. 9. № 4. С. 765–776. https://doi.org/1021821/2309-5180-2017-9-4-765-776.

22. Ni Fei, Wang Guangchun, Zhao Haibin. Fabrication of water-soluble poly(vinyl alcohol)-based composites with improved thermal behavior for potential three-dimensional printing application // Journal of Applied Polymer Science. 2017. Vol. 134. Iss. 24. https://doi.org/10.1002/app.44966.

23. Фролов Д. А., Гаврилова А. О., Распопина В. Б. Численный эксперимент: анализ напряженного состояния в характерных точках FDM-структуры // Безопасность колесных транспортных средств в условиях эксплуатации: материалы CX Международной научнотехнической конференции (г. Иркутск, 2–4 июня 2021 г.). Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2021. С. 160–167.