Определение прочностных характеристик пластиков при изгибе и сжатии на примере материалов FormaX и GF-12 | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 1 мая, печатный экземпляр отправим 5 мая.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: , ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №9 (351) февраль 2021 г.

Дата публикации: 28.02.2021

Статья просмотрена: 24 раза

Библиографическое описание:

Бизимов, Г. С. Определение прочностных характеристик пластиков при изгибе и сжатии на примере материалов FormaX и GF-12 / Г. С. Бизимов, А. С. Бизимова, И. Д. Меркулова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 9 (351). — С. 6-11. — URL: https://moluch.ru/archive/351/78931/ (дата обращения: 21.04.2021).



В статье представлено определение характеристик прочности при изгибе и сжатии стандартных образцов при различной степени заполнения, а именно 50 % и 100 %, с целью их сравнения и формирования первичного представления о влиянии степени заполнения на характеристики прочности напечатанных деталей.

Ключевые слова: 3D-печать, FDM-печать, испытания материалов, характеристики пластиков, FormaХ, GF-12, степень заполнения.

Одной из отличительных особенностей 3D-печати методом послойного наплавления (англ. Fused deposition modeling — FDM) является возможность создания многополостных макроструктур в материале детали. Таким образом возможно получение деталей одинаковой формы с различной плотностью. Очевидно, что при снижении степени заполнения уменьшается основное время изготовления (главная составляющая штучного времени) и расход материала, но вместе с тем падают прочностные характеристики.

Целью данной работы является определение характеристик прочности при изгибе и сжатии стандартных образцов при различной степени заполнения материалом, а именно 50 % и 100 %, с целью их сравнения и формирования первичного представления о влиянии степени заполнения на характеристики прочности напечатанных деталей.

В качестве материалов были использованы пластики FormaХ (производитель REC, Россия) и GF-12 (производитель Filamentarno, Россия). Они представляют собой композиции из АБС-пластика, армированного рубленным стекловолокном.

В таблице 1 и таблице 2 приведены некоторые прочностные характеристики использованных материалов, заявленные производителем.

Таблица 1

Некоторые прочностные характеристики материала FormaX

Прочность на изгиб

74,8 МПа

Модуль упругости на изгиб

3,767 ГПа

Максимальная нагрузка на изгиб

117,6 Н

Прочность на сжатие

108,8 МПа

Модуль упругости на сжатие

1,774 ГПа

Максимальная нагрузка на сжатие

13,6 кН

Таблица 2

Некоторые прочностные характеристики материала GF -12

Максимальная прочность при разрыве

60 Мпа

Модуль упругости при растяжении

4,5 Гпа

Относительное удлинение при разрыве

3 %

С учетом анизотропии физико-механических параметров деталей, напечатанных по технологии FDM [1] образцы для испытаний изготавливались в двух вариантах ориентации: с направлением слоев параллельным и перпендикулярным направлению прикладываемой нагрузки.

а) б)

Рис. 1. Виды образцов для испытаний с учетом анизотропии: а) — продольное направление слоев, б) — поперечное направление слоев

Для испытаний на статический изгиб использовались образцы в виде брусков мм в соответствии с требованиями ГОСТ 4648–2014 [2], а для испытаний на сжатие использовались образцы в виде брусков мм в соответствии с требованиями ГОСТ 4651–2014 [3].

Полный перечень видов образцов и их основные характеристики приведены в таблице 3.

Таблица 3

Виды образцов для испытаний на статический изгиб и сжатие

№ вида образца

Материал

Степень заполнения, %

Направление слоев

Размеры образца, мм

Обозначение вида образцов

1

GF-12

100

Продольное

80х10х4

G100Пр-Изгиб

2

GF-12

100

Поперечное

80х10х4

G100П-Изгиб

3

GF-12

50

Продольное

80х10х4

G50Пр-Изгиб

4

GF-12

50

Поперечное

80х10х4

G50П-Изгиб

5

FormaХ

100

Продольное

80х10х4

F100Пр-Изгиб

6

FormaХ

100

Поперечное

80х10х4

F100П-Изгиб

7

FormaХ

50

Продольное

80х10х4

F50Пр-Изгиб

8

FormaХ

50

Поперечное

80х10х4

F50П-Изгиб

9

GF-12

100

Продольное

10х10х4

G100Пр-Сжатие

10

GF-12

100

Поперечное

10х10х4

G100П-Сжатие

11

GF-12

50

Продольное

10х10х4

G50Пр-Сжатие

12

GF-12

50

Поперечное

10х10х4

G50П-Сжатие

13

FormaХ

100

Продольное

10х10х4

F100Пр-Сжатие

14

FormaХ

100

Поперечное

10х10х4

F100П-Сжатие

15

FormaХ

50

Продольное

10х10х4

F50Пр-Сжатие

16

FormaХ

50

Поперечное

10х10х4

F50П-Сжатие

Для получения достоверных значений измеряемых параметров каждый вид образцов изготавливался и испытывался в количестве пяти штук. В качестве результатов испытаний представлены средние значения по пяти опытным образцам.

Испытания на статический изгиб производились в соответствии с ГОСТ 4648–2014 [2] на машине для испытаний конструкционных материалов УТС 110–5.01 для образцов № 1–8 таблицы 3. Схема испытания на статический изгиб и вид экспериментальной установки приведены на рисунке 2 и рисунке 3 соответственно.

Схема испытания на статический изгиб

Рис. 2. Схема испытания на статический изгиб

Испытание на статический изгиб

Рис. 3. Испытание на статический изгиб

Полученные значения изгибающих напряжений при разрушении и модуля упругости, усредненные по пяти образцам, приведены в таблице 4.

Таблица 4

Результаты испытаний на статический изгиб

№ вида образца

Изгибающее напряжение при разрушении, МПа ( )

Модуль упругости,

Обозначение вида образцов

1

61 (622)

857

G100Пр-Изгиб

2

25 (258)

506

G100П-Изгиб

3

53 (541)

902

G50Пр-Изгиб

4

18 (184)

423

G50П-Изгиб

5

66 (673)

1162

F100Пр-Изгиб

6

25 (255)

534

F100П-Изгиб

7

54 (554)

1000

F50Пр-Изгиб

8

18 (184)

364

F50П-Изгиб

На основании вышеприведенной таблицы можно сделать следующие выводы:

  1. Испытанные материалы близки по характеристикам прочности при статическом изгибе.
  2. При уменьшении степени заполнения до 50 % от номинального значения характеристики прочности при статическом изгибе снизились в среднем на 13–18 % для продольного направления слоев и на 28 % для поперечного.
  3. При поперечном расположении слоев относительно прилагаемой нагрузки характеристики прочности при статическом изгибе снизились более чем на 60 % по сравнению с продольным расположением слоев.

Испытания на сжатие производились в соответствии с ГОСТ 4651–2014 [2] на универсальной испытательной машине ZDM 5/911 для образцов № 9–16 таблицы 3. Схема испытания на сжатие и вид экспериментальной установки приведены на рисунке 4 и рисунке 5 соответственно.

Схема испытания на сжатие

Рис. 4. Схема испытания на сжатие

Испытание на сжатие

Рис. 5. Испытание на сжатие

Полученные значения разрушающих напряжений при сжатии, усредненные по пяти образцам приведены в таблице 5.

Таблица 5

Результаты испытаний на сжатие

вида образца

Разрушающее напряжение при сжатии , МПа ( )

Обозначение вида образцов

9

46 (464)

G100Пр-Сжатие

10

46 (468)

G100П-Сжатие

11

31 (315)

G50Пр-Сжатие

12

30 (308)

G50П-Сжатие

13

46 (468)

F100Пр-Сжатие

14

43 (442)

F100П-Сжатие

15

35 (354)

F50Пр-Сжатие

16

33 (336)

F50П-Сжатие

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

  1. Испытанные материалы близки по характеристикам прочности при сжатии.
  2. При уменьшении степени заполнения до 50 % от номинального значения характеристики прочности при сжатии снизились в среднем на 33 %.
  3. Направление слоев не оказывает влияния на характеристики прочности при сжатии.

Подводя итоги вышесказанного и обобщая результаты проведенных испытаний на статический изгиб и сжатие, можно сделать следующие выводы:

  1. Материалы GF-12 и FormaХ схожи по своим прочностным характеристикам при статическом изгибе и сжатии;
  2. При уменьшении степени заполнения до 50 % от номинального значения характеристики прочности при статическом изгибе снизились в среднем на 13–18 % для продольного направления слоев и на 28 % для поперечного, а характеристики прочности при сжатии снизились на 33 %;
  3. При поперечном расположении слоев относительно прилагаемой нагрузки характеристики прочности при статическом изгибе снизились более чем на 60 % по сравнению с продольным расположением слоев, в то время как характеристики прочности при сжатии не зависят от направления слоев.

Стоит отметить, что при проведении испытаний не были достигнуты значения прочности заявленные производителями и приведенные в таблице 1 и таблице 2, что может свидетельствовать о неравнозначности применяемых методик испытаний и возможных отличиях технологических режимов.

Литература:

  1. Бизимов Г. С. Некоторые особенности FDM-печати в отечественной промышленности //Молодой ученый. — 2021. — № 7 (349). С. 17–19
  2. ГОСТ 4648–2014 Пластмассы. Метод испытаний на статический изгиб.
  3. ГОСТ 4651–2014 Пластмассы. Метод испытаний на сжатие.
Основные термины (генерируются автоматически): статический изгиб, характеристика прочности, сжатие, модуль упругости, таблица, FDM, испытание, направление слоев, схема испытания, номинальное значение характеристики прочности.


Задать вопрос