PETG- и PLA-филаменты и испытания физико-механических характеристик изделий из них



В данной статье описываются виды практических испытаний, которые показывают, как различные параметры изготовления продуктов аддитивной технологии влияют на механических свойства будущих изделий. Ценность эксперимента заключается, главное в том, что при анализе полученных данных можно прогнозировать свойства изделий, получаемых при различных режимах 3D-изготовления.

Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, прочность, механические характеристики, растяжение, материал.

Постоянство и стабильность развития всех отраслей промышленности и экономики в целом в большой степени зависит от уровня развития машиностроения. Прибыль, получаемая от машиностроительной отрасли, обеспечивает полное техническое перевооружение всей промышленности развитых стран мира по повторяющемуся периоду. Основной и одной из главных проблем современного машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей и узлов механизмов, разной сложности и принадлежности, наряду с постоянным снижением металлоемкости конструкций. Проблема актуальна, и её значимость неоднократно возрастает в связи с повышением требований к изготовлению изделий. Необходимость экономии дорогостоящих металлов и сплавов, ресурс которых ограничен, порождает желание их замены те варианты, являющиеся более превосходными материалами, по выгоде или другим требованиям.

Одним из перспективных вариантов замены, является использование в конструкциях узлов пластиков расходных материалов, таких как термопласты различных параметров.

Однако, не смотря на широкое распространение 3D-печати, многие интересующие данные практически отсутствуют, например, о механических характеристиках изготавливаемых изделий. Так же отсутствует данные об характере влияния температуры, высоты слоя, скорости печати, скорости перемещения печатающей головки на свойства изделий, что не позволяет прогнозировать механические свойства конечного продукта. Поэтому исследование данной темы представляет собой научный и практический интерес.

Для установления механических характеристик изделия с различными технологическими параметрами, их необходимо подвергнуть серии испытаний, среди основных –это испытания на разрыв и изгиб. Испытания образцов необходимы для установления физико-механических данных. Данный эксперимент был проведен с помощью следующего оборудования: 3D-принтера Creality Ender 3 с модернизированной платой BIGTREETECH SKR mini E3 V1.2 (рис.1.), тестовый стенд, работающий на растяжение РМУ- 0,05.

Рис.1. 3D-принтер Creality Ender 3

Чем пластичнее материал образца, тем дольше его сопротивление разрушению, и наоборот [4]. Определение прочности образца при растяжении проводится согласно ГОСТ 11262, а определение модуля упругости — ГОСТ 9550–81.

Спроектированная 3D-модель в программе КОМПАС-3D (студенческая версия) и напечатанная на 3D-принтере (рис.1), соответствует типу 1 и размерам, указанным в ГОСТ [2]. В работе было использовано два типа формы заполнения: шестигранный и LINE. Оптимальным процентом заполнения приняли: 100 %. Перед испытаниями на образец были нанесены необходимые метки (без повреждения образцов), ограничивающие его базу и положение кромок захватов. Образцы были закреплены в клиновые зажимы экспериментальной машины, таким образом, чтобы продольные оси зажимов и ось образца совпадали между собой и с направлением движения подвижного зажима. Зажимы регулировались ручной силой равномерно так, чтобы не было проскальзывания образца в процессе испытания, и чтобы не происходило его разрушение в месте закрепления. Затем образцы нагружались возрастающей нагрузкой, скорости раздвижения зажимов составила 2,5 мм/мин при определении прочности и относительного остаточного удлинения. В момент разрушения фиксировалось усилие. Данные таблицы 2.

Стоить отметить, что для образца под номером «1» использованы по возможности усредненные параметры печати, а для образца «2» оптимальные под каждый вид материала. Данные занесены в таблицу 1.

Таблица 1

Параметры печати

Вид пластика	Температура сопла	Температура стола	Обдув	Адгезия поверхности	Диаметр сопла
Оптимальные параметры
PETG	245	60	+	Клей-карандаш	0,3
PLA	220	80	+
Средние параметры
PETG	230	65	+	Клей-карандаш	0,3
PLA

Сводная таблица полученных результатов испытаний:

Таблица 2

Исследуемые характеристики испытуемых образцов

Форма заполнения образца	Образец	Нагрузка	Напряжение	Предел упр.	Модуль упр.
		F m (Max),Кн		F р ,МПа	Е, МПа
PETG-филамент
Шестиугольный	1	1,12	27	19,5	0,48
	2	1,20	31,5	20,1	0,58
Линия	1	1,1	26,85	16,75	0,46
	2	1,16	29,8	18,5	0,38
PLA-филамент
Шестиугольный	1	1,0	26,25	19	0,47
	2	1,12	29,4	18,75	0,52
Линия	1	0,98	23,25	15,4	0,40
	2	1,06	26,75	17,5	0,42

Физико-механические свойства материалов в значительной степени зависят от технологии их получения. При испытании на растяжение лучше всего зарекомендовало себя шестиугольное заполнение контура образцов.

При анализе полученных данных становится понятно, что усредненные параметры печати не имеют место быть т. к. показывают хуже результаты испытаний, нежели настройки, подобранные под каждый вид филамента индивидуально.

При плавной регулировке степени деформирования лучше повел себя образец № 2 PETG. Получился ожидаемый разброс данных образцов «1–2» из-за параметров печати. Полученные значения прочности приближены к стандартным значениям прочности этих материалов. Однако замечено, что значения модуля упругости и относительного удлинения являются недопустимо низкими.

Прочностные характеристики деталей, изготовленных с использованием оптимальных параметров печати, приближены к свойствам изделий, полученных способом литьем под давлением. Результаты работы будут полезны и могут применяться на практических занятиях в учебной деятельности в данной области исследования.

Острая проблематика поиска «того самого» материала может быть решена, если шагнет вперед прежний уровень знаний материаловедения. После можно не сомневаться, разовьются новые виды промышленности. А сейчас нам остается и дальше испытывать уже имеющиеся материалы под разным спектром нагрузок, чтобы делиться представлением о сильных и слабых сторонах материалов.

Литература:

1. Дефекты в процессе 3d-печати на FDM 3d принтерах. — Текст: электронный // getfab: [сайт]. — URL: https://getfab.ru/post/607/ (дата обращения: 12.12.2020).
2. ГОСТ 11262–80 Пластмассы. — Текст: электронный // plastinfo.ru: [сайт]. — URL: https://plastinfo.ru/content/file/gosts/0103a03d187c.pdf (дата обращения: 16.12.2020).
3. Грибовский, А. А. Аддитивные технологии и быстрое производство в приборостроении: Учебное пособие / А. А. Грибовский, А. И. Щеколдин. — Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2018. — 48 c. — Текст: непосредственный.
4. Каргин, В. А. Энциклопедия полимеров. Том 1. / В. А. Каргин. — Москва: «Советская Энциклопедия», 1972. — 609 c. — Текст: непосредственный.
5. Антонова, В. С. Аддитивные технологии: учебное пособие / В. С. Антонова, И. И. Осовская. — Санкт-Петербург:, 2017. — 30 c. — Текст: непосредственный.