Влияние направления печати по FDM-технологии на механические свойства изделия

Цель работы – изучение влияния направления печати в FDM-технологии (от англ. Fused Deposition Modelling – моделирование методом послойного наплавления) на механические свойства изделия. Лабораторные испытания образцов типа В проводились в соответствии с ГОСТ11262-2017 на разрывной машине для статических испытаний Shimadzu AGS-10kNXD со скоростью нагружения 2 мм/мин. Образцы были изготовлены из термопластика ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол). При прочих равных условиях изменялось направление печати образцов. В качестве параметра, отображающего этот фактор, был принят угол наклона нитей печати в заполнении внутреннего объема образца α к продольной оси образца. Результаты испытаний FDM-образцов показали, что при разных углах наклона α данные экспериментов закономерно меняются. Образец состоит из двух составляющих: первая – это заполнение внутреннего объема образца; вторая – внешняя оболочка образца. По результатам анализа (на 3D-моделях образцов в слайсере) траектории укладки нитей печати в слоях и строения каждого слоя было выявлено, что на изменение механических характеристик испытываемых образцов оказывают влияние обе составляющие их конструкции. Во внешней оболочке образца оказывают влияние верхняя и нижняя грани оболочки. Детальный анализ модели каждого слоя образцов позволил объяснить изменение реакции образцов с разными α на действие одинаковой растягивающей нагрузки в части величины разрушающей нагрузки. В частности, особенности структуры заполнения таковы, что ее влияние на величину разрушающей нагрузки будет ограничено ростом угла α от 0 до 45°. Дальнейшее увеличение α приводит к зеркальной повторяемости картины. При этом влияние на величину разрушающей нагрузки со стороны внешней оболочки соответствует диапазону 0°≤α≤90°. Таким образом, в результате проведенных исследований были получены знания, дающие предпосылки для формирования теории, обусловливающей создание методики изготовления деталей с помощью FDM-технологии с заданными механическими характеристиками.

1. Joch R., Šajgalík M., Drbúl M., Holubják J., Czán A., Bechný V., et al. The application of additive composites technologies for the application of additive composites technologies for // Materials. 2023. Vol. 16. Iss. 10. Р. 3624. https://doi.org/10.3390/ma16103624.

2. Tyrer A. The 3d printing market reaches $24.8 billion, more from the new proto labs report on 3d printing trends. Режим доступа: https://3dprintingindustry.com/news/3d-printing-market-reaches-24-8-billion-more-insights-fromprotolabs-new-3d-printing-trend-report-230753/ (дата обращения: 07.04.2024).

3. Tyrer A. Finnair upgrades its Airbus A320 fleet with new 3D printed components. Режим доступа: https://3dprintingindustry.com/news/finnair-upgrades-its-airbus-a320-fleet-with-new-3d-printed-components-230516/ (дата обращения: 07.04.2024).

4. Petch M. The additive manufacturing advantage: INTERVIEW Tobias Petzinger. Режим доступа: https://3dprintingindustry.com/news/the-additive-manufacturing-advantage-interview-tobias-petzinger-231081/ (дата обращения: 07.04.2024).

5. Alarifi I.M. A performance evaluation study of 3d printed nylon/glass fiber and nylon/carbon fiber composite materials // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 21. P. 884–892. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.09.085.

6. Khosravani M.R., Reinicke T. Mechanical strength of 3D-printed open hole polymer plates // Procedia Structural Integrity. 2022. Vol. 41. P. 664–669. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2022.05.075.

7. Озеров А. Высокоэффективные пластики – реальная альтернатива металлам // iQB technologies Режим доступа: https://blog.iqb.ru/high-performance-polymers/ (дата обращения: 07.04.2024).

8. Agarwal K.M., Shubham P., Bhatia D., Sharma P., Vaid H., Vajpeyi R. Analyzing the impact of print parameters on dimensional variation of ABS specimens printed using fused deposition modelling // Sensors International. 2022. Vol. 3. Р. 100149. https://doi.org/10.1016/j.sintl.2021.100149.

9. Tajik A.R., Khan T.I., Parezanović V. Raster angle impact on FDM-based additive manufactured fluidic oscillator // International Journal of Thermofluids. 2022. Vol. 16. Р. 100230. https://doi.org/10.1016/j.ijft.2022.100230.

10. Bayas E., Kumar P., Harne M. Impact of process parameters on mechanical properties of FDM 3d-printed parts: a comprehensive review // EuropeanChemicalBulletin. 2023. Vol. 12. Iss. 5. Р. 708–725. https://doi.org/10.48047/ecb/2023.12.si5.073.

11. Vidakis N., David C., Petousis M., Sagris D., Mountakis N., Moutsopoulou A. The effect of six key process control parameters on the surface roughness, dimensional accuracy, and porosity in material extrusion 3D printing of polylactic acid: Prediction models and optimization supported by robust design analysis // Advances in Industrial and Manufacturing Engineering. 2022. Vol. 5. P. 100104. https://doi.org/10.1016/j.aime.2022.100104.

12. D’Addona D.M., Raykar S.J., Singh D., Kramar D. Multi objective optimization of fused deposition modeling process parameters with desirability function // Procedia CIRP. 2021. Vol. 99. P. 707–710. https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.03.117.

13. Сметанников О.Ю., Бекмансуров М.Р., Ильиных Г.В., Донгаузер К.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния в процессе лазерной порошковой наплавки с целью определения конечного коробления изделий // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2023. № 6. С. 124–134. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.6.12.

14. Raja S., Agrawal A.P., Patil P.P., Thimothy P., Capangpangan R.Y., Singhal P., Wotango M.T. Optimization of 3D printing process parameters of polylactic acid filament based on the mechanical test // International Journal of Chemical Engineering. 2022. https://doi.org/10.1155/2022/5830869.

15. Corapi D., Morettini G., Pascoletti G., Zitelli C. Characterization of a polylactic acid (PLA) produced by fused deposition modeling (FDM) technology // Procedia Structural Integrity. 2019. Vol. 24. P. 289–295. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.02.026.

16. He Feiyang, Alshammari Yо.L.A., Khan M. The effect of printing parameters on crack growth rate of FDM ABS cantilever beam under thermo-mechanical loads // Procedia Structural Integrity. 2021. Vol. 34. P. 59–64. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2021.12.009.

17. Kumar R., Sharma H., Saran C., Tripathy T.S., Sangwan K.S., Herrmann C. A comparative study on the life cycle assessment of a 3D printed product with PLA, ABS & PETG materials // Procedia CIRP. 2022. Vol. 107. P. 15–20. https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.04.003.

18. Birosz M.T., Ledenyák D., Andó M. Effect of FDM infill patterns on mechanical properties // Polymer Testing. 2022. Vol. 113. Р. 107654. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2022.107654.

19. Денискина Г.Ю. CAD/CAM/CAE-система для изготовления конструкций из волокнистых композиционных материалов методом 3D-печати // Электронный журнал «Труды МАИ». 2022. № 126. https://doi.org/10.34759/trd-2022-126-21. EDN: LBGNMV.

20. Ракишев A., Доненбаев Б., Джамалудин Х.Р. Исследование механических характеристик FDM деталей (3D-печати): эмпирические и компьютерные методы // Наука и техника Казахстана. 2023. № 3. С. 113–121. https://doi.org/10.48081/MFBQ8991.

21. Распопина В.Б., Шеметов Л.И., Стуров А.А. Определение модуля продольной упругости анизотропной FDM-структуры в CAE-среде и с помощью натурного эксперимента // Упрочняющие технологии и покрытия. 2024. Т. 20. № 1. С. 8–13. https://doi.org/10.36652/1813-1336-2024-20-1-8-13. EDN: ATVTIK.

22. Bechný V., Matuš M., Joch R., Drbúl M., Czán A., Šajgalík M., et al. Influence of the orientation of parts produced by additive manufacturing on mechanical properties // Manufacturing Technology. 2024. Vol. 24. No. 1. Р. 2–8. https://doi.org/10.21062/mft.2024.021.