книги2 / MNPK-566

НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В УСЛОВИЯХ ЦИФРОВИЗАЦИИ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ПРАКТИЧЕСКИЙ АСПЕКТЫ

Один из способов повысить эффективность процесса — увеличить высоту одного слоя печати.

Фактором, оказывающим большое влияние на эксплуатационные характеристики изделия, является вклад воздушных пустот внутри структуры детали. Для определения этого фактора используют сканирующую электронную и оптическую микроскопию (рисунок 2).

Чтобы обеспечить хорошую производительность печатной продукции, высоту слоя следует подогнать под диаметр сопла. Эта процедура влияет на величину межслойного сцепления. Для определения оптимальной высоты печатного слоя

При диаметре сопла 0,2 мм были получены слои толщиной 0,147 ± 0,008 мм, превышали его диаметр и имели ширину 0,218 ± 0,009 мм.

В случае остальных значений переменной средняя толщина слоя составляла от 0,210 мм до 0,228 мм. В случае сопел диаметром 0,4, 0,8 и 1,2 мм ширина пути была меньше размера используемого сопла и составляла, соответственно, 86 %, 90 % и 88 % его диаметра. Оценка печатных дорожек в структуре образцов проводилась на внешних слоях образцов. Внешние слои были расположены так же, как и остальные нижние слои, которые не видны.

141

АГЕНТСТВО МЕЖДУНАРОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ● https://ami.im

Рисунок 2. Структура изделия с разными диаметрами сопел: a) 0,2 мм, б) 0,4 мм, в) 0,8 мм, г) 1,2 мм.

Источник: разработано автором

Рисунок 3. Значение ударной вязкости в зависимости от диаметров сопел. Источник: разработано автором

Использование насадок диаметром 0,2 мм и 0,4 мм позволяет получить прочные плотные слои (рисунок 2).

Наибольшее значение ударной вязкости получено для образцов, изготовленных с соплом 0,8 мм, и составило 20,55±1,99 кДж / м2. Наименьшее значение ударной вязкости было измерено для образцов, изготовленных с использованием сопла диаметром 0,2 мм, и составило 13,47±1,8 кДж / м2. Наибольшее значение ударной прочности получено для образцов, изготовленных с соплом 0,4 мм, и составило

36,43±1,41 кДж / м2 (рисунок 3).

142

НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В УСЛОВИЯХ ЦИФРОВИЗАЦИИ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ПРАКТИЧЕСКИЙ АСПЕКТЫ

Наименьшее значение ударной вязкости при растяжении было измерено для образцов, изготовленных с соплом 0,2 мм, и составило 26,46±1,56 кДж / м2. Результаты испытаний на растяжение (рисунок 4): сопло диаметром 0,8 мм составило 56,6±2,38 Мпа, а 0,2 мм – 33,2 ± 2,19 МПа. Наименьшее значение модуля Юнга достигнуто диаметром сопла 0,2 мм составило 2,2 ± 0,11 ГПа, а максимальное с диаметром 0,4мм – 3,15 ± 0,06 ГПа.

Рисунок 4. Значение модуля Юнги от диаметров сопел Источник: разработано автором

Выводы.

Высокие значения прочности на разрыв, полученные диаметром 0,4мм и 0,8мм, обусловлены структурами, с высокой степенью плавления, в которых обнаружилось небольшое количество дисперсных пустот. Нижние значения диаметром 1,2мм - отсутствием связей между дорожками контура и внутренней решетчатой структурой. Микроскопический анализ показал, что при диаметре сопел больше 0,4мм увеличиваются воздушные пустоты между путями печати, что влияет на ударную вязкость. Нижние значения механических свойств были при 0,2мм, однако улучшилось плавления слоя при контакте с предыдущим. Отношение высоты слоя к диаметру сопла не должно превышать 0,8мм, что, вероятно, оказывает на формирование межслоевой адгезии полученных образцов. Правильный выбор типа головки позволяет получить функциональные свойства изделий как по прочности, так и по поверхностным воздействиям.

Список использованной литературы

1.Земчик, О.; Седлак, Дж. Применение линейной оптимизации параметров 3D -

печати FDM. Тех. Газ. 2019, 26, 1164–1170.

2.Трионо,Дж.; Суканто,Х.; Сапутра,Р.; Смарадхана,Д. Влияние диаметра отверстия сопла при 3D - печати на пористость и прочность на разрыв деталей,

143

АГЕНТСТВО МЕЖДУНАРОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ● https://ami.im

использующих материал из полимолочной кислоты. Открытая англ.2020,10, 762– 768. 3. Тюмер, Э.Х.; Эрбиль, Х.Ю. Применение 3D - печати композитов PLA на основе экструзии: обзор. Покрытия 2021, 11, 390

© Сиразетдинова Э.И., Петрова М.А. Носкова Д.В., 2024

СиразетдиноваЭ. И.

бакалавриат 3 курса КНИТУ (КХТИ), г. Казань, РФ

ПетроваМ.А.

бакалавриат 3 курса КНИТУ (КХТИ), г. Казань, РФ

НосковаД. В.

бакалавриат 3 курса КНИТУ (КХТИ), г. Казань, РФ

Научный руководитель: Галимзянова Р.Ю.,

Кандидат технических наук, КНИТУ (КХТИ) г. Казань, РФ

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СОПЛА FDM–ПРИНТЕРА НА ФИЗИКО–МЕХАНИЧЕСКУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ ПЕЧАТНОГО ИЗДЕЛИЯ

Аннотация.

FDM - печать наиболее распространенный процесс в производстве. Качество конечного продукта у данного метода сильно зависит от используемого сырья, а также от технологических параметров. В этом исследовании влияние температуры печати на механические свойства отпечатанных образцов изучалось в сравнении с образцами, полученными методом литья под давлением. Результаты показали, что механические свойства отпечатанных образцов сильно зависят от температуры головки сопла, но не могут конкурировать с образцами, полученными методом литья под давлением.

Annotation.

FDM printing is the most common process in manufacturing. The quality of the final product of this method strongly depends on the raw materials used, as well as on the technological parameters. In this study, the effect of printing temperature on the mechanical properties of printed samples was studied in comparison with samples obtained by injection molding. The results showed that the mechanical properties of the printed samples strongly depend on the temperature of the nozzle head, but cannot compete with samples obtained by injection molding.

144

НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В УСЛОВИЯХ ЦИФРОВИЗАЦИИ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ПРАКТИЧЕСКИЙ АСПЕКТЫ

Ключевые слова.

3D - печать, FDM, механические свойства, PLA, температура головки сопла

Keywords.

3D Printing, FDM, mechanical properties, PLA, Nozzle head temperature

Введение.

Аддитивное производство (FDM - печать) - развивающаяся технология, которая может упростить подходы к проектированию и производству. Благодаря созданию слоя за слоем, а не литью под давлением в предварительно отформованную форму, этот метод позволяет изготавливать огромное разнообразие форм с меньшими затратами, чем при традиционных производственных процессах, и, следовательно, помогает упростить или даже исключить сборочные линии и обеспечивает индивидуальное целенаправленное производство. Моделирование и последующие нанесение материала слой за слоем является одним из популярных подходов благодаря относительной низкой цене необходимого оборудования и широкому разнообразию сырья, которое может быть использовано. Качество конечного продукта в значительной степени зависит от используемого сырья, а также от регулируемых параметров, таких как температура головки, плотность заполняемости модели, масштабирование, ориентация рабочего стола. Целью данной работы является изучение влияния температуры насадки на физико - механические свойства конечного продукта.

Материал и образцы.

PLA более предпочтительный вариант благодаря своей более низкой температуре плавления и нетоксичности. Скорость вращения вентилятора головки была установлена на 30 % для всех образцов, а радиус сопла составлял 1,5мм. Испытания на растяжение проводились с использованием универсальной испытательной машины с датчиком нагрузки 500 кг и при скорости головки 5 мм / мин.

Результаты.

Рисунок 1. Модуль Юнга и относительное удлинение при разрыве. Источник: разработано автором

145

АГЕНТСТВО МЕЖДУНАРОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ● https://ami.im

Для лучшего понимания роли температуры экструзии на механические свойства конечного продукта были напечатаны четыре образца при 180, 200, 220 и 240°C. Далее были посчитаны: напряжение при разрыве и модуль Юнга образцов, полученные методом литья под давлением (рисунок 1) и FDM - печать (рисунок 2).

Рисунок 2. Модуль Юнга и относительное удлинение при разрыве.

Как видно, повышение температуры сопла приводит к повышению прочности при модуля Юнга, но оказывает слабое влияние на относительное удлинение при разрыве. На рисунке 3, вязкость расплава PLA сильно зависит от температуры, и с повышением температуры вязкость расплава PLA уменьшается, что приводит к лучшей диффузии молекул PLA в нижележащий слой, что, в свою очередь, приводит к более сильной межслойной адгезии. При увеличении температуры сопла со 180°C до 240°C величина деформации при разрыве увеличивается с 34 МПа до 56 МПа, что близко к значению введенного образца, а именно 65 МПа.. При повышении температуры печати выше 240ºC может наблюдаться некоторое разложение базового полимера, что ограничивает время обработки до 240ºC.

Повышение температуры сопла приводит к повышению прочности при растяжении и модуля Юнга, но оказывает незначительное влияние на относительное удлинение при разрыве образцов.

Рисунок 3. Влияние температуры на вязкость Источник: разработано автором

146

НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В УСЛОВИЯХ ЦИФРОВИЗАЦИИ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ПРАКТИЧЕСКИЙ АСПЕКТЫ

Вязкость расплава PLA сильно зависит от температуры, и с повышением температуры головки сопла в процессе печати вязкость расплава PLA уменьшается, что приводит к лучшей диффузии вновь экструдированных молекул PLA в нижележащий слой, из - за чего происходит более сильная межслойная адгезии (рисунок 3).

Выводы.

Механические свойства готового печатного продукта с нитями PLA сильно зависит от сопла температура головы, но не могут конкурировать с образцами, полученными методом литья под давлением, поэтому настоятельно рекомендуются другие этапы отделки, такие как последующее отверждение.

Список использованной литературы

1.К.С. Бопараи, Р. Сингх, Х. Сингх, Разработка быстрой оснастки с использованием моделирования наплавленного осаждения: обзор, журнал быстрого прототипирования, 22, 2016.

2.Б. Виттбродт, Дж.М. Пирс, Влияние растений цвет на свойства материалов компонентов для трехмерной печати, Аддитивное производство, 8, 110 - 116,2015

©Сиразетдинова Э.И., Петрова М.А. Носкова Д.В., 2024

Сиразетдинова Э.И.

бакалавриат 3 курса КНИТУ (КХТИ), г. Казань, РФ

Петрова М. А.

бакалавриат 3 курса КНИТУ (КХТИ), г. Казань, РФ

Носкова Д.В.

бакалавриат 3 курса КНИТУ (КХТИ), г. Казань, РФ

Научный руководитель: Галимзянова Р.Ю.,

Кандидат технических наук, КНИТУ (КХТИ) г. Казань, РФ

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СОПЛА И ТОЛЩИНЫ СЛОЯ МЕТОДОМ

FDM–ПЕЧАТИ НА ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ

Аннотация.

FDM - это сложный процесс с множеством параметров, влияющих на качество печати:скорость подачи нити ориентация печати, толщина слоя, угол ориентации

147

АГЕНТСТВО МЕЖДУНАРОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ● https://ami.im

печати, коэффициент заполнения и т.д. Они оказывают большое влияние на качество и эксплуатацию изделия. В этом исследовании было изучено влияние на шероховатость поверхности толщиной слоя и температуры печати.

Abstract.

FDM is a complex process with many parameters that affect print quality: print orientation, layer thickness, print orientation angle, fill factor, filament feed rate, etc., affect the quality and operation of parts. In this study, the effect of layer thickness and printing temperature on surface roughness was studied.

Ключевые слова.

PLA, FDM, 3D - печать, характеристика поверхности.

Keywords.

PLA, fdm, 3d printing, surface characteristic.

Введение.

Шероховатость изделия может быть измерена с отклонениями в направлении нормали к действительной поверхности. Если эти отклонения велики, поверхность является шероховатой; если они малы - гладкой. Шероховатость поверхности формирует исходные области для трещин, то есть отрицательно сказывается на эксплуатации продукта. Регулировка значений шероховатости во время изготовления может быть сложной. Таким образом, желательно контролировать шероховатость, так как она может улучшать адгезионную прочность. Было определено, что толщина слоя и ориентация печати в деталях, напечатанных на 3D - принтере, оказывают значительное влияние на адгезионную прочность. В случае малой толщины слоя слой, полученный на боковой кромке, обладает наибольшей адгезионной прочностью, тогда как при высокой толщина слоя, горизонтальный слой обладает наибольшей адгезионной прочностью. При всех преимуществ у FDM - печати есть ограничения в виде шероховатости поверхностей. Существуют методы, устраняющие проблему, где главное: с повышением температуры плавления материала шероховатость поверхности уменьшается.

Материал и метод.

Образцы для измерения шероховатости поверхности изготовлены с использованием принтера Zmorph, способный изготовить с погрешностью 14 мкм по осям X и Y и 0,625 мкм по оси Z, из материала PLA диаметром 1,75мм. В исследовании параметры печати составляли: толщины слоев 0,1, 0,2 и 0,4мм, температура сопла 190, 210, 230°C, температура печатного стола 65°C, скорость печати 10 - 70 мм / с, углов печати - 45° / +45° и коэффициент заполнения 10 - 100 % Выяснилось, что качество печати одинаково практически при любой температуре печати. Кроме того, было определено, что шероховатость поверхности прямо пропорциональна

148

НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В УСЛОВИЯХ ЦИФРОВИЗАЦИИ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ПРАКТИЧЕСКИЙ АСПЕКТЫ

скорости печати и обратно пропорциональна коэффициенту заполнения. Все образцы были изготовлены в вертикальном положении.

Время изготовления на 3D - принтере различается в зависимости от оборудования FDM и параметров печати, таких как толщина слоя, где среднее время изготовления образцов составляет: 70 мин с толщиной 0,1 мм, 40 мин - 0,2 мм и 23 мин - 0,4 мм. Изменение температуры печати не приводит к существенному увеличению требуемого времени печати.

Оптические результаты при 210 °C (рисунок 1) показали что зазоры уменьшаются с уменьшением толщины слоя образцов, так как охватывается меньшая геометрическая площадь.

в) 0,4мм

Рисунок 1. Изображения образцов

сразличной толщиной слоя при 210°C Источник: разработано автором

Шероховатость поверхности образцов, напечатанных с различной толщиной слоя, (рисунок 2) увеличивается при возрастании толщины вне зависимости температуры. Также видно, при толщине слоя 0,1 мм температура печати практически не влияет на шероховатость поверхности. Кроме того, наименьшее значение шероховатости поверхности при толщине слоя 0,4 мм достигается при температуре печати 210°C.

149