close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследования по определению силовых характеристик процесса одноосного сжатия цилиндрических образцов изготовленных из АБС-пластика по методу трехмерной печати..pdf

код для вставкиСкачать
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 10. Ч. 2
УДК 620.173.2
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СИЛОВЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА ОДНООСНОГО СЖАТИЯ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ
ИЗ АБС-ПЛАСТИКА ПО МЕТОДУ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ
М.А. Петров, Н.В. Косачев, Ф.Б. Прокопов
Приводятся результаты исследования влияния степени заполнения полимерных образцов, изготовленных по технологии трехмерной печати FDM, на силовые характеристики, полученные при их одноосной осадке. Показано, что с увеличением
плотности заполнения материала образца растет и необходимая сила деформирования, причем при одинаковой деформации вероятность разрушения снижается. Однако
данная закономерность является нелинейной и приближена к характеристикам, которые описываются мягкоупругой моделью поведения материала.
Ключевые слова: осадка цилиндрических образцов, полимеры, АБС-пластик,
жесткоупругая модель, мягкоупругая модель, трехмерная печать, аддитивные технологии, FDM
Вступление. Мировой объем переработки полимеров и их использование в машиностроении постоянно растут. Подобная тенденция связана
с появлением новых высокопрочных полимеров, а также полимеров, обладающих высокими специальными технологическими свойствами [1]. Методики изготовления полимеров и методы изготовления деталей из них
также оказывают влияние на развитие новых материалов и технологий.
Вошедшие в активную фазу развития и принятия обществом технологии
трехмерной печати диктуют необходимость в исследовании механических
свойств материалов, полученных, например, после экструзии по методу
FDM (Fused Deposition Modelling), заключающейся в послойном нанесении
расплавленной пластиковой нити.
Описание экспериментальной части. Объем экспериментальных
работ включал два этапа. На первом этапе велось изготовление цилиндрических образцов по технологии FDM на принтере для трехмерной печати
UPrint, в котором скорость печати устанавливается автоматически в зависимости от геометрии детали и ее плотности заполнения (ПЗ). На втором
этапе изготовленные образцы осаживали на универсальной испытательной
машине EU-100 (табл. 1), оснащенной системой контроля, выполненной на
основе прогрыммы графического программирования LabView. Деформирование велось в специальной оснастке, оснащеной системой самовыравнивания бойков для исключения их перекоса, позволяющей проводить исследования по определению физического предела текучести металлических материалов на основе термографического метода [2].
84
Высокоэффективные технологические процессы в ОМД
Технические характеристики оборудования
Таблица 1
Параметр
Значение
Испытательная машина EU-100
Номинальная сила, МН
10
Температура окружающей среды, °C
23,5
Скорость перемещения траверсы, мм/с
1
Принтер для трехмерной печати UPrint
Толщина слоя, мм
0,25
Температура фильеры экструдера, °C
310
Исследования проводились на одном типе полимерного материала,
представленным термопластом акрилонитрилбутадиенстиролом (аббр.
АБС-пластик с химической формулой (C8H8)x·(C4H6)y·(C3H3N)z и международным CAS-номером 9003-56-9). Механические свойства материала представлены в табл. 2 согластно ГОСТам, данным исследований и производителя. Исходным материалом для изготовления образцов служила полимерная проволока ∅1,7 мм.
АБС-пластики различаются по своему строению и бывают двух типов: с аморфной и частично кристаллизованной структурой. В отличие от
частично кристаллизованных термопластов аморфные термопласты менее
термостойки и имеют пониженные механические свойства. Данное явление объясняется тем, что в частично кристаллизованных полимерах в силу
сближения и упорядочивания частей цепочек молекул возрастает роль
межатомных сил (рис. 1, а, б).
Физико-механические свойства АБС-пластика
Параметр
Плотность, г/см3
Модуль Юнга, ГПа
Предел прочности, МПа
Предельное отн-ое удлинение, %
Твердость
Таблица 2
Значения параметров в соответствии с
данными произданными 345
ГОСТ*
водителя
1,04…1,12
1,03…1,05
1,04…1,05
1,9…2 ,7
1,6…2,3
32…56
22…36
15…40
3…7
Роквелл (R)
75…120
98
4…6
номера ГОСТов: плотность − 15139; предельное относительное удлинение − 11262; твердость − 4670;
модуль упругости при изгибе − 9550-81.
*
85
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 10. Ч. 2
б
а
в
Рис. 1. Структура полимеров и модели их поведения:
а – аморфный термопласт; б – частично кристаллизованный
термопласт; в – диаграммы изменения динамического модуля
сдвига в зависимости от температуры для полимеров
различного типа 5 (1 – эластомеры; 2 – аморфные
термопласты; 3 – частично кристаллизованные термопласты;
4 - дюропласты)
С реологической точки зрения в полимерах наблюдаются три области, отличающиеся друг от друга моделью течения (рис. 1, в).
Для аморфных и частично кристаллизованных термопластов (кривая 2 и 3)
существенное различие наблюдается лишь при температуре обработки
выше 80 °C которая соответствует температуре пластификации, и модуле
сдвига 100 МПа. Аморфные полимеры более чувствительны, чем частично
кристаллизованные, и переход от жесткоупругой модели поведения к мягкоупругой происходит раньше. При одноосном сжатии образца при нормальной температуре окружающей среды, машинная диаграмма эксперимента также выглядит различно в зависимости от типа полимера и способа
его изготовления. Как и в материалах с полностью кристаллизованной
86
Высокоэффективные технологические процессы в ОМД
структурой, например, металлах, пластическая деформация происходит
только по тем направлениям, которые совпадают с плоскостями скольжения [6 - 7].
Определение и выбор размеров образцов проводились согласно рекомендациям, установленным по ГОСТ 4651-82 [8]. В образцах предусматривалась различная ПЗ в соответствии с табл. 3. Измерение начального диаметра образца проводилось по двум перпендикулярным направлениям в трех плоскостях: верхний торец, нижний торец, плоскость на расстоянии Hи/2. Измерение начальной высоты образца проводилось по двум ортогональным плоскостям. По результатам измерения вычисляли средние
значения величин. Также для каждого образца вычислялся свой коэффициент гибкости λ. Большее значение коэффициента соответствует жестким
полимерам. Нормальными значениями считаются значения, равные 10.
Уменьшение λ до значений от 5 и выше было связано с ограниченным
размером рабочей камеры оснастки. Осадка проводилась на величину, равную половине исходной высоты 0,5Hи, за исключением образца №16, для
которого данная величина равнялась 0,6Hи. Деформация осуществлялась в
жестко-упругой области полимера.
Результаты. По результатам осадки образцов получены машинные
диаграммы, некоторые из которых представлены на рис. 2. Изменение линейных размеров образцов приведено в виде карты проведения испытаний
(табл. 3).
На основании анализа диаграмм сжатия можно выделить три области, определяющие вид диаграммы в зависимости от ПЗ образца. Кривая
каждой области характеризуется сначала участком резкого роста силы (упругая составляющая деформации), а после достижения предела текучести –
плавно возрастающим участком (пластическая составляющая деформации). Подобная форма кривых говорит о том, что материал образцов является не чистым аморфным полимером, а полимером с частично кристаллизованной структурой. Начало второго участка сопровождается образованием микротрещин, которые начинают развиваться от наиболее слабого микрообъема материала. Образование микротрещин было зафиксировано на
боковой бочкообразной поверхности образца в виде множественных пересекающихся под прямым углом линий.
В конце осадки образцов с ПЗ = L было установлено их частичное
разрушение. Данные образцы разрушаются при ходе траверсы, соответствующей значению 0,25Hи…0,3Hи, что соответствует резкому падению значения силы после участка, проходящего горизонтально оси абсцисс (образцы №4, 5 и 6). В ходе вязкого разрушения происходит раскрытие наружной формирующейся бочкообразной поверхности образца по его образующей, начиная с поверхности торца, причем наиболее слабым торцем
являлся тот, который был опорным основанием образца в процессе его
87
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 10. Ч. 2
трехмерной печати. Дальнейшее деформирование образца (выше
0,25Hи…0,3Hи) ведет к разрушению его внутренней каркасной структуры.
Таблица 3
Карта проведения испытаний
№
п/п
Плотность
наполнения
(ПЗ)
H
*
L
S
Геометрические параметры образца
исходные
конечные
Hиср., мм
Dиср., мм
Hкср., мм
Dкср., мм
λ
1
х
30,5
23,8
25,85
25,85
5,13
2
х
30,5
23,8
26,35
25,65
5,13
3
х
30,5
23,8
25,65
25,78
5,13
4
x
30,5
23,9
23,30
26,55
5,10
5
x
30,5
23,8
25,75
25,78
5,13
6
x
30,4
23,8
25,70
25,65
5,11
7
x
30,4
24,0
25,25
25,52
5,07
8
x
30,3
23,8
25,80
25,33
5,09
9
x
30,3
24,0
24,55
25,85
5,05
10
x
30,3
23,8
25,85
25,47
5,09
11
x
30,5
23,9
22,55
25,52
5,10
12
x
30,3
23,9
22,80
26,82
5,07
13
x
24,0
18,0
22,80
20,23
5,33
14
x
30,5
23,8
26,65
25,20
5,13
15
x
30,2
23,7
26,60
25,25
5,10
16
x
30,5
23,8
23,45
25,92
5,13
17
x
30,2
23,9
29,40
24,23
5,05
18
x
30,0
23,8
26,75
25,97
5,04
19
x
30,0
23,9
24,45
26,92
5,02
маркировка буквенными обозначениями: H – для средней ПЗ, L – для низкой ПЗ, S – для высокой ПЗ.
88
Высокоэффективные технологические процессы в ОМД
Рис. 2. Машинные диаграммы сжатия полимерных образцов
(1 – для ПЗ = S; 2 – для ПЗ = H; 3 – для ПЗ = L)
Выводы. Из проведенных авторами исследований следует, что в
зависимости от ПЗ образцов из АБС-пластика, изготовленных методом
трехмерной печати, изменяются их механические свойства, в частности,
меняется значение предела текучести, причем данное изменение соответствует следующей пропорции: ПЗ = S ≈ 5L ≈ 2,5H. Образцы с наименьшей
ПЗ подвержены вязкому разрушению при прочих одинаковых условиях.
Список литературы
1. Современные машиностроительные материалы. Неметаллические
материалы / В.Е. Бахарева [и др.]. Санкт-Петербург: Изд-во «Литературное
агентство «Профессионал»», 2012. 916 с.
2. http://rp-center.com (по состоянию на 20.09.2014).
3. Roos E., Maile K. Werkstoffkunde für Ingenieure Springer Verlag.
2008. 3. S. 430
4. Энциклопедия полимеров / под ред. В.А. Каргина. Т. 3, М.: Издво «Советская энциклопедия», 1972. 1152 с.
5. Weber S., Schäffler H., Bruy, Schelling G., Baustoffkunde Vogel
Fachbuch, Kamprath-Reihe. 2012. 10. S. 278
6. Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров. М:
Издательство «Высшая школа», 1988. 312 с.
7. Бартенев Г.М., Френкель С.Я., Физика полимеров. Изд-во «Химия», 1990. 432 с.
8. ГОСТ 4651-82. «Пластмассы. Метод испытания на сжатие». М.:
89
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 10. Ч. 2
ИПК Издательство стандартов, 1982.
Петров Михаил Александрович, канд. техн. наук, доц., petroffma@gmail.com,
Россия, Москва, Университет машиностроения,
Косачев Николай Викторович, ст. преподаватель, petroffma@gmail.com, Россия, Москва, Университет машиностроения,
Прокопов Федор Борисович, инженер, petroffma@gmail.com, Россия, Москва,
Лаборатория инжиниринга и быстрого прототипирования
EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS ON THE FORCE CHARACTERISTICS DURING THE
UNIAXIAL COMPRESSION TEST OF THE CYLINDRICAL PROBES, MADE FROM ABSPOLYMER AND PRODUCED BY AN ADDITIVE TECHNOLOGY
M.A. Petrov, N.V. Kosachev, F.B. Prokopov
The paper represents the results of the study concerning the investigation of the influence of the filling grade (material density) on the force characteristic during the uniaxial
compression test of the cylindrical polymere probes produced by additive technology based
on FDM. The authors have shown, that increasing of the filling grate follows to the increase
of the deformation forces. However the dependency is not a linear function and characterized
by soft-elastic model of materialc behaviour, which is typical for polymeres partly crystallized
structure.
Key words: uniaxial compression test, polymeres, ABS-polymere, rigid-elastic model,
soft-elastic model, 3D-printing, additive technologies, FDM.
Petrov Mikhail Aleksandrovich, candidate of technical sciences, associate professor,
petroffma@gmail.com, Russia, Moscow, University of Engineering,
Kosachev Nikolay Viktorovich, senior lecturer, petroffma@gmail.com, Russia, Moscow, University of Engineering,
Prokopov Fyodor Borisovich, engineer, petroffma@gmail.com, Russia, Moscow,
University of Engineering
90
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа