يو دي سي 67.02، 620.172.2، 004.9

دراسة خصائص القوة للمواد النموذجية التي تم الحصول عليها بطريقة الطباعة FDM باستخدام ABS-PLASTIC.

كامونيتشكينا ناتاليا فلاديميروفنا

السنة الأولى ماستر

قسم تقنيات معالجة المواد

جامعة موسكو التقنية الحكومية سميت باسمها. إن إي بومان

المشرف العلمي: آي في كوتشيكوف

مرشح العلوم التقنية، أستاذ مشارك في قسم تقنيات معالجة المواد

أهمية العمل وأهداف البحث.

تعد التقنيات المضافة حاليًا واحدة من أكثر مجالات الإنتاج الرقمي تطورًا ديناميكيًا. يتمتع هذا النوع من التكنولوجيا بآفاق كبيرة في إنتاج المنتجات الهندسية وأعمال الإصلاح. تعتمد التقنيات المضافة على استخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد [3]. من بين المبادئ الأساسية السبعة لعملية الطباعة ثلاثية الأبعاد المذكورة في [1]، الأكثر انتشارًا اليوم هو بثق المواد، والتي يتم تغذيتها بشكل انتقائي من خلال فوهة أو طائرة نفاثة. يُطلق على هذا النوع من الطباعة ثلاثية الأبعاد في الأدبيات التقنية عادةً اسم طباعة FDM (FusedDepositionModeling).

يرجع الاستخدام الواسع النطاق لطباعة FDM إلى الرخص النسبي لهذا النوع من الطابعات ثلاثية الأبعاد والإمكانيات التكنولوجية الواسعة في إنتاج أنواع مختلفة من المنتجات. ومع ذلك، لا يمكن القول أن خصائص قوة مادة الأجزاء المنتجة باستخدام طباعة FDM تتوافق مع خصائص قوة مادة الخيوط المستخدمة. يؤدي تطبيق الطبقات المتناوبة عن طريق الدمج المتسلسل للخيوط إلى تكوين بنية فيزيائية متعددة المستويات للمادة. يمكن تمييز الهيكل المشكل من خلال تباين الخواص بالنسبة لاتجاه وضع الخيوط، والاختلافات في سمك الطبقات الموضوعة، ووجود أنواع مختلفة من العيوب، والآليات الفريدة لتدمير المادة. تنعكس العوامل المذكورة أعلاه في خصائص قوة المواد الناتجة.

المواد الأكثر شيوعًا لإنتاج المنتجات باستخدام طباعة FDM هي المواد البلاستيكية. مثال على البلاستيك المستخدم غالبًا في الطباعة ثلاثية الأبعاد هو بلاستيك ABS. ولذلك فإن الغرض من هذا العمل هو دراسة خصائص القوة للمادة المنتجة بطباعة FDM باستخدام بلاستيك ABS.

وصف منهجية وشروط تحضير العينات.

قد يكون للمادة التي تنتجها طباعة FDM بنية مختلفة، ولكنها ستتكون بالضرورة من مجموعة من المجلدات ذات خيوط موضوعة أحادية الاتجاه. يتم تحديد ذلك من خلال الميزات التكنولوجية لتنفيذ طباعة FDM. لذلك، من أجل تحديد خصائص قوة المادة التي تنتجها طباعة FDM، من الضروري أولاً دراسة قوة مادة النموذج بخيوط موضوعة أحادية الاتجاه. من أجل تقييم خصائص قوة المادة وتباين الخصائص، يجب إجراء الاختبارات على طول وعبر اتجاه وضع الخيوط.

تم أخذ شكل وأبعاد عينات اختبارات الشد وفقًا لـ GOST 11262-80 "البلاستيك. طريقة اختبار الشد." وتم اختيار عينة من النوع الثاني للبحث (الشكل 1). تم إجراء الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام خيوط أحادية مصنوعة من بلاستيك ABS+ من الشركة المصنعة StreamPlast، والتي تم توفيرها وفقًا للمواصفات الفنية - TU 3-2291-001-24687042. وفقًا لهذه الشروط الفنية، يجب أن تتمتع الخيوط الأحادية بقوة شد لا تقل عن 2016 ميجا باسكال ويجب أن تتم الطباعة في نطاق درجة الحرارة 47-2200C.

1

الشكل 1: رسم تخطيطي لعينة لاختبار الشد.

تتيح لك الطباعة ثلاثية الأبعاد إنتاج عينات على الفور لاختبار قوة الشد، متجاوزة مراحل الحصول على الفراغ الأولي والقطع اللاحق للعينات منه. تم إعداد ترتيب وضع الخيط (G-code) في الإصدار 3 من برنامج Simplify3D وفقًا لـ GOST 4.0-20999 "أجهزة التحكم العددي لمعدات تشغيل المعادن". ترميز معلومات برامج التحكم"، مع الأخذ في الاعتبار موقع الخيوط في الجزء العامل من العينة على طول أو عبر اتجاه التمدد. تم إجراء طباعة FDM على طابعة PicasoDesignerPro83 ثلاثية الأبعاد بقطر فوهة الطارد 3 مم.

قبل الطباعة، لتحسين التصاق المادة، تمت تغطية الطاولة بمادة رابطة خاصة The3D. كانت درجة حرارة الطاولة 1100C ودرجة حرارة فوهة الطارد 2400ج. تمت الطباعة بثلاثة أوضاع:

  • الوضع 1: بسرعة فوهة الطارد V.с= 30 مم / ثانية وسماكة طبقة الخيط الموضوعة حوما يليها= 100 ميكرومتر ؛
  • الوضع 2: بسرعة فوهة الطارد V.с= 45 مم / ثانية وسماكة طبقة الخيط الموضوعة حوما يليها= 150 ميكرومتر ؛
  • الوضع 3: بسرعة فوهة الطارد V.с= 60 مم / ثانية وسماكة طبقة الخيط الموضوعة حوما يليها= 200 ميكرومتر ؛

تم اختبار العينات التي تم الحصول عليها من أجل مقاومة الشد بسرعة نشر مشابك آلة الاختبار المقابلة لـ 1 ± 0,5 مم / ثانية (الحد الأدنى لسرعة نشر مشابك آلة الاختبار ، المنصوص عليها في GOST 11262-80).

مناقشة البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها.

يتم عرض البيانات التجريبية حول نتائج اختبار المواد التي تم الحصول عليها عن طريق طباعة FDM باستخدام بلاستيك ABS على طول وعبر وضع الخيوط في الشكل. 2. يتضح من البيانات المقدمة أن قوة الشد للمادة التي تم الحصول عليها باستخدام أوضاع الطباعة ثلاثية الأبعاد الثلاثة في اتجاه وضع الخيوط قريبة من قيمها وهي عند مستوى 3-31 ميجا باسكال. إذا استخدمنا بيانات الشركة المصنعة حول قوة الشعيرات الأحادية المستخدمة في طباعة FDM (33,5 ميجا باسكال)، فإن هذه القيم أقل بنسبة 47٪ تقريبًا. ومع ذلك، لإجراء مقارنة أكثر صحة بين مستويات قوة هاتين المادتين، من الضروري توضيح إلى أي مدى تتوافق شروط اختبار الخيوط الأحادية مع شروط تحميلها في المادة النموذجية.

إن قوة مادة النموذج عبر وضع الخيوط أقل بكثير وتعتمد بقوة أكبر على أوضاع الطباعة FDM (الشكل 2). تؤثر سرعة حركة فوهة الطارد مع سمك الطبقة الموضوعة على قوة التصاق الخيوط. ويرجع ذلك إلى انتشار الحرارة من الفوهة إلى المادة. عند سرعات الطباعة العالية، يتم نقل حرارة أقل إلى البلاستيك في أي وقت معين مقارنة بالسرعات المنخفضة. إذا قمت بطباعة طبقة صغيرة بسرعة منخفضة، فقد يتم توليد الكثير من الحرارة. سيؤدي ذلك إلى زيادة الالتصاق، ولكن سيكون هناك احتمال حدوث عيوب على شكل ترهل بلاستيكي. على العكس من ذلك، إذا قمت بالطباعة ثلاثية الأبعاد بطبقة أكثر سمكًا وبسرعة عالية، فقد لا تكون الحرارة كافية لإنشاء التصاق جيد بين الخيوط.

تم تأكيد هذا الافتراض من خلال البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها (الشكل 2). في الوضع 1 (الحد الأدنى لسرعة الطباعة وسمك الطبقة الموضوعة)، تكون قوة مادة النموذج عبر وضع الخيوط بحد أقصى وتبلغ 20,2 ميجا باسكال (67٪ من قوة المادة على طول وضع الخيوط)، في الوضع 2 - 14 ميجا باسكال (41٪ من قوة المادة على طول وضع الخيوط) وفي الوضع 3 - 15,9 ميجا باسكال (51٪ من قوة المادة على طول وضع الخيوط). وهذا يعني أنه عند الانتقال من الوضع 1 إلى الوضع 2 للطباعة ثلاثية الأبعاد، هناك انخفاض في قوة الشد للعينات مع الوضع المستعرض للخيوط، نتيجة للتأثير الأقوى للسمك المتزايد للطبقة الموضوعة من الخيوط مقارنة بالتأثير الأقوى للسماكة المتزايدة للطبقة الموضوعة من الخيوط زيادة في سرعة الطباعة. وعند الانتقال من الوضع 3 إلى الوضع 2، فإن التأثير السائد هو زيادة سرعة الطباعة، مما يؤدي إلى زيادة طفيفة في قوة المادة (الشكل 3).

2

أرز. 2 الاعتماد على قوة الشد σрمادة نموذجية مع وضع خيوط طولية وعرضية، تم الحصول عليها باستخدام أوضاع طباعة ثلاثية الأبعاد مختلفة (الوضع 3 – Vс=30 ملم/ثانية، حوما يليها= 100 ميكرومتر؛ الوضع 2 – الخامسс=45 ملم/ثانية، حوما يليها= 150 ميكرومتر؛ الوضع 3 – الخامسс=60 ملم/ثانية، حوما يليها= 200 ميكرومتر.)

تحتوي عينات المواد النموذجية ذات الخيوط الطولية والعرضية على أنواع مختلفة من مخططات الشد وأسطح الكسر. إذا كان مخطط الشد للعينات ذات الوضع العرضي للألياف له مظهر مميز للكسر الهش، ففي مخطط الشد للعينات ذات الوضع الطولي للألياف، بعد انخفاض طفيف في قوة الشد، بعد الوصول إلى الحد الأقصى، يكون الانخفاض التدريجي لوحظ حتى لحظة فشل العينة.

3

أرز. 3 طبيعة تدمير العينات من خلال وضع الخيوط العرضية (أ) والطولية (ب).

تحتوي العينات ذات موضع الألياف المستعرضة (الشكل 3 أ) على سطح كسر مسطح تمامًا، في حين أن العينات ذات موضع الألياف الطولية (الشكل 3 ب) لها سطح كسر متطور. عند فحص هذه الكسور باستخدام المجهر الضوئي، فمن الواضح أن تدمير المادة ذات الألياف الموضوعة بشكل مستعرض يحدث في مستوى واحد (الشكل 4 أ) على طول سطح الخيوط الموضوعة. إن كسر المادة النموذجية مع وضع الألياف الطولية (الشكل 4 ب) له طابع متطور. يحدث الكسر في مستويات مختلفة وعند الكسر يتم ملاحظة مناطق تراكم الضرر والمناطق المسطحة المميزة للانتشار الرئيسي للشقوق.

4

أرز. 4 نوع كسر العينات مع وضع الخيوط المستعرضة (أ) والطولية (ب).

اختتام

  • بالنسبة لمادة نموذجية تم إنتاجها عن طريق طباعة FDM باستخدام بلاستيك ABS، عند وضع الخيوط على طول اتجاه تطبيق الحمل، لم يتم الكشف عن أي اعتماد على قوة الشد على أوضاع الطباعة ثلاثية الأبعاد. كانت القوة في جميع أوضاع الطباعة 3-31 ميجا باسكال، وهي أقل بنسبة 33,5% تقريبًا من قوة الخيوط الأحادية المعلنة من قبل الشركة المصنعة.
  • تبلغ قوة المادة النموذجية مع وضع الخيوط المستعرضة 41-67٪ من القوة التي يتم الحصول عليها عند اختبارها على طول وضع الألياف. تعتمد هذه القوة على أوضاع الطباعة ثلاثية الأبعاد. تم الحصول على القيمة القصوى - 3 ميجا باسكال - في الوضع 20,2، عند سرعة فوهة الطارد Vс= 30 مم / ثانية وسماكة طبقة الخيط الموضوعة حوما يليها= 100 ميكرومتر، ويتم ملاحظة القيمة الدنيا – 14 ميجا باسكال – في الوضع 2، عند Vс= 30 مم / ثانية و حوما يليها= 100 ميكرون.
  • عينات المواد النموذجية ذات الخيوط الطولية والعرضية لها طبيعة مختلفة ونوع سطح الكسر:
  • عندما يتم وضعها بشكل مستعرض، يتم ملاحظة سطح كسر مسطح تمامًا عند تقاطع الخيوط المودعة، وبالتالي فإن مقدار الالتصاق بينهما هو العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على قيمة القوة؛
  • عندما يتم وضعها طوليًا، يكون لكسر المادة طابع متطور، سواء مع مناطق تراكم الضرر أو مع مناطق الانتشار الرئيسي للشقوق. في مزيد من البحث، من المستحسن اعتبار المادة ذات الخيوط الموضوعة طوليًا كحزمة من الألياف المتصلة، مما قد يجعل من الممكن الكشف عن آليات تدمير مثل هذه المادة.

 

أدب

  1. GOST R 57558-2-017 "العمليات التكنولوجية المضافة. المبادئ الأساسية” العينات المختبرة:

 

كسر العينات تحت المجهر:

به: , , ,