Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ABS-ПЛАСТИКА, ПОЛУЧЕННОГО ПО FDM-ТЕХНОЛОГИИ

Авторы:
Город:
Казань
ВУЗ:
Дата:
16 октября 2017г.

Аннотация

Изучены причины появления дефектов деталей, выращенных на 3D принтере Designer PRO 250. Исследованы механические свойства образцов из ABS–пластика, выращенных по оптимальному режиму. Проведено сравнение свойств ABS–пластика, полученного по различным технологиям.

Annotation

Investigated causes of defective parts, grown in a 3D printer Designer PRO 250 and the mechanical properties of the samples of ABS plastic, grown at optimum mode. Comparison of properties of ABS–plastic, obtained by different technologies

Введение

Аддитивные тexнологии открыли перед современным миром уникальные возможности воспроизведения сложнейших пространственных форм, объектов и инженерных конструкций, механизмов. Во всех методах при изготовлении изделия используется один и тот же базовый пятиэтапный процесс, а именно:

создание проектируемой CAD-модели; преобразование CAD- модели в формат STL; разделение STL модели на тонкие слои поперечного сечения; построение объекта слой за слоем; очистка и доводка объекта.

 STL-файл является стандартным для каждого процесса аддитивного производства. В этом процессе чертеж, сделанный в программном обеспечении CAD, аппроксимируется треугольниками и нарезкой, содержащими информацию о каждом слое, который будет напечатан. Различия заключаются в способе нанесения слоя, применяемых материалах, точности «построения» изделий, в величине шага между слоями и, как следствие, в эксплуатационных характеристиках получаемого изделия.

Материалы для аддитивных технологий могут быть жидкими (фотополимерные смолы, воски и др.), порошкообразными, в виде тонких листов (полимерные пленки, листы бумаги и др.), а также в виде полимерной нити или металлической проволоки, расплавляемой непосредственно перед формированием слоя построения.

В настоящее время нашли широкое применение следующие методы прототипирования из пластмассовых материалов [1]:

1.     Стереолитография. В основе этой технологии лежит фотоинициированная в заданном объеме полимеризация в результате которой твердеет жидкий материал;

2.     LOM-технология (Laminated Object Manufacturing) - изготовление слоистых моделей методом послойного склеивания элементов, вырезанных из листового материала;

3.     FDM-технология (Fused Deposition Modeling) –послойное наложение расплавленной полимерной нити.

Для принтеров, реализующих метод послойного наложения расплавленной полимерной нити, разработанный компанией Stratasys в 1990 году[2], в качестве расходного материала используются нити из АBS, HIPS, PVA, PLA– пластиков [3]. Для PLA-пластика (полилактид) не существует российских аналогов, однако первые три полимера производятся отечественными производителями, что позволяет широко использовать данный метод в России.

3D принтер Designer PRO 250 производства российской фирмы Picaso 3D используется в медицине, археологии, архитектуре, палеонтологии и других сферах человеческой деятельности. Главной особенностью этого оборудования является возможность печати двумя материалами изделий сложной формы, что позволяет значительно расширить границы применения персональных 3D принтеров.

В 3D-принтере Designer PRO 250 математическая модель изделия, представленная в формате STL, преобразуется в специальные программы под управлением которых работает принтер: программа Polygon 2.0 используется для печати с использованием одной катушки пластика или двумя катушками разных цветов одного типа пластика; программа KISSlicer PRO используется для печати сложных одноцветных изделий высокого качества с поддержкой из растворимых материалов, например HIPS или PV.

Далее после выполнения предварительных мероприятий запускается процесс послойного создания модели. Термопластичная нить подается с катушки в экструдер, где нагревается до полужидкого состояния и выдавливается через сопло в виде нити, оседает на поверхности рабочего стола или на предыдущем слое, соединяясь с ним. Экструдер перемещается в горизонтальной плоскости согласно управляющей программе, постепенно формирует контур будущего изделия, потом заполняет пространство внутри контура, после чего происходит вертикальное перемещение на толщину слоя, и процесс повторяется до тех пор, пока модель не будет полностью построена.

Как известно, физико-механические свойства материалов в значительной степени зависят от технологии их получения. Современные аддитивные технологии предоставляют возможность создания точных по размерам и форме изделий, однако их свойства системно не изучаются и в этой связи трудно рекомендовать тот или иной способ данных технологий для получения изделий конструкционного назначения, т.е. для изделий, которые находятся подчас в сложных условиях воздействия внешней среды, в том числе и механических нагрузок.

Однако для создания изделий конструкционного назначения на принтере Designer PRO 250 в настоящее время отсутствуют системные исследования в области оптимизации его рабочих параметров по критериям точности выполняемых размеров, а также прочности таких конструкций.

Поэтому целью настоящей работы является изучение стандартных физико-механических свойств ABS- пластика, полученного по оптимальному режиму управления 3 D принтера Designer PRO 250. Критерием оптимизации послужило отсутствие видимых дефектов поверхности и точность воспроизведения размеров стандартных образцов.

Изготовление образцов. С помощью программы «КОМПАС - 3D» были изготовлены стандартные образцы из ABS-пластика для исследования механических свойств при растяжении (рисунок 1а, сжатии (рисунок 1б) и изгибе (рисунок 1в).




Подбор оптимального режима печати образцов. Принтер управляется достаточно большим количеством параметров. Неоптимальный режим работы принтера может вызвать отклонение размеров изделия от номинальных в результате усадки материала, газонасыщение, прилипание детали к рабочему столу и т.п., а также способствовать получению деталей с низкими физико-механическими характеристиками.

Подбор оптимальных режимов работы принтера выполнены на стандартном образце для испытания на сжатие. Печать образца осуществлялась по 7 режимам, представленным в таблице 1. При этом следующие параметры печати поддерживались постоянными на всех изученных режимах: диаметр нити пластика – 1,75 мм; диаметр сопла – 0,3 мм; температура экструдера для 1-го слоя - 250° C, температура стола для 1-го слоя - 110° C, для остальных слоев - 100° C; коэффициент подачи – 1.

В ходе печати по режиму 1 без проведения обезжиривания рабочего столика образец начал отслаиваться от поверхности рабочего стола, что повлекло за собой возникновение дефекта в виде смятия на одной из его стенок. В углу образца, помимо отслоения, появились прижоги пластика (рисунок 2а и 2б).

Для исключения этих дефектов рабочий столик и кончик пластиковой нити обезжирили спиртом, затем нанесли лак на поверхность рабочего столика. Первоначально слои пластика хорошо накладывались, однако затем углы левой стенки образца стали деформироваться и сминаться. Это привело к появлению несплошности по левому краю образца (рисунок 2в) и образованию неровности поверхности (рисунок 2г). Данный дефект, по-видимому, возник из-за низкого процента заполнения и нарушения калибровки стола.

Таблица 1. Параметры печати модели «куб»

 

Параметры

/режим

1

2

3

4

5

6

7

Толщина слоя,

мм

0,05

0,10

0,10

0,10

0,10

0,10

0,10

Степень

заполнения,%

20

24

24

24

25

100

100

Скорость

печати, мм/с.

45

45

30

15

30

30

45

Температура

250

250

240

240

240

250

250

экструдера

для последующих слоев, ° C

 

 

 

 

 

 

 

Наличие

охлаждения

-

-

-

-

+

-

-

 Чтобы исключить дефекты на углах модели, было выполнено скругление граней на 1 мм (режим 2). Однако в ходе печати на левых гранях образца появился тот же дефект, что и на предыдущих образцах, но уже в виде рыхлоты и менее выраженный (рисунок 2д). Вероятной причиной сохранения дефекта является недостаточный обдув и неверно подобранная температура экструдера./


На режиме 3 печатался куб со скругленными гранями, как по предыдущему режиму. При этом на рабочее сопло нанесли графит и установили катушку со вторым пластиком. В результате печати от дефекта на гранях полностью избавиться не удалось, но дефект стал практически не заметен (рисунок 2е). При вращении 3D – модели по оси Z на 45° рыхлота на гранях сохраняется (рисунок 2ж). На этом режиме был получен образец и без скругления углов, однако тоже с дефектам в виде отслоения одного угла от поверхности и охрупчивание граней куба (рисунок 2з).

Поскольку время печати образцов размером 20х20х20 в среднем составляет 1ч. 9 мин. 31 сек, при исследовании режима 4 были уменьшены габариты модели до 15х15х15 мм. Однако при этом время печати сократилось незначительно: до 1ч. 8 мин. 32 сек. На рисунке 2и изображен полученный образец, на котором был выявлен дефект в виде смятия одной из граней. Фактические размеры полученного образца составляют 14х14х15 мм. Отклонение действительных размеров от номинальных произошло из-за усадки материала.

Режимы 5 и 6 обеспечили получение бездефектных образцов, у которых габариты образца соответствуют номинальным. Отличительной особенностью 5 режима было наличие охлаждения образца при печати, а режима 6 - 100%-ное заполнение объема образца материалом.

7 режим (100%-е заполнение модели материалом и увеличенная скоростью печати до 45 мм/c) также обеспечили получение бездефектных образцов. Именно этот режим был выбран для печати стандартных образцов для механических испытаний (рисунок 3). Испытание на растяжение было проведено в соответствии с ГОСТом 11262-80, образец тип 1.


В 3D принтере Designer PRO 250 диапазон изменения скорости печати варьируется от 5 до 80 мм/c.

 Для изучения свойств материала скорость печати была выбрана 15-45-80 мм/c. Внешний вид полученных образцов различается: бездефектным получился лишь образец, изготовленный со скоростью 15 мм/с. Образцы, изготовленные со скоростью 45 мм/с и 80 мм/с, имеют неровности и повышенную шероховатость поверхности.

Испытание на растяжение осуществлялось на испытательной машине AUTOGRAPHAG–X корпорации SHIMADZU, имеющей максимальное усилие до 50 кН и плавную регулировку степени деформирования. В таблице 2 представлены результаты испытания, из которой следует, что чем ниже скорость печати, тем выше пластичность материала и модуль упругости. При этом предел прочности имеет максимальное значение при скорости печати 45 мм/c. Однако диапазон рассеяния этой характеристики по трем режимам печати всего 2,4 Н/мм². Полученные значения прочности соответсвуют стандартным значениям прочности литьевого ABS – пластика [4]. Однако обращается на себя внимание пониженные значения модуля упругости и особенно относительного удлинения. Таким образом, при проектировании конструкционных деталей из данного пластика, полученных по FDM-технологии, следует иметь в виду, что материал будет обладать пониженной пластичностью и жесткостью.

Таблица 2. Влияние скорости печати на механические свойства ABS – пластика

 

Скорость печати

образцов, мм/с

Модуль

упругости,E, Н/мм²

Предел прочности

при растяжении, σ, Н/мм²

Относительное удлинение,

δ, %

15

1524,0

41,3

11,5

45

1463,0

42,8

7,6

80

1399,0

40,4

6,5

ABS – пластик литьевой

2000-2500

30 - 45

15 -40

 

Механические характеристики при сжатии (ГОСТ 4651-2014) и изгибе (ГОСТ 4648-2014) оценивали при скорости печати 45 мм/c. и степени заполнения 100%. Результаты приведены в таблице 3.


Таблица 3. Механические свойства ABS – пластика при сжатии и изгибе

 

Характеристика

При сжатии

При изгибе

Модуль упругости , Е, Н/мм²

1264,5

1900,2

Предел прочности,

σ , Н/мм²

124,1

59,8

Отн. сжатие, δ, %

63,1

-

 

При испытании на статический изгиб было проведено измерение изменения внешних углов изгиба после снятия нагрузки. До снятия нагрузки внешний угол составил 95 - 98°, а после снятия нагрузки – 44- 47°, т.е. изменение произошло более чем в два раза, что свидетельствует о достаточно высоких упругих свойствах ABS – пластика, выращенного FDM-технологией.

Заключение

При подборе оптимального режима печати ABS–пластика, выращенного FDM-технологией, было выявлено, что наибольшее влияние на качество изготавливаемых образцов оказывают такие параметры, как процент заполнения образца и скорость печати. Установлено, что 100%-ное заполнение материалом объема образца устраняет дефекты типа смятие граней, рыхлоты. Подобрана скорость печати – 45 мм/c., обеспечивающая наилучшие механические свойства пластика. Однако получено, что чем ниже скорость печати, тем выше пластичность материала и модуль упругости. Полученные значения прочности соответствуют стандартным значениям прочности литьевого ABS – пластика. Однако значения модуля упругости и относительного удлинения являются достаточно низкими, что необходимо учитывать при проектировании конструкционных деталей из данного пластика.

 

Список литературы

 

1.Валетов В. А. Аддитивные технологии// Санкт-Петербург.- изд-во ун-та ИТМО. – 2015.- 55 с. 

2.Абрамова И.А., Полков Д.А. Технология послойного наплавления (Fused deposition modeling) // Наука и военная безопасность -2016. - №3(6) – С. 111-114.

3.Лысыч М.Н., Шабанов М.Л., Воронцов Р.В. Материалы, доступные в рамках различных технологий 3D-печати //Современные наукоемкие технологии.- 2015.- № 5.- С. 20-25.

4. Энциклопедия полимеров, том 1//изд-во Машиностроение.- 1974.-700 с.