Влияние технологических режимов на упруго-прочностные характеристики FDM-печатных образцов

Современное строительство развивается с высокой скоростью, внедряя новые технологии и материалы. Одним из перспективных направлений развития строительной отрасли является применение аддитивных технологий (3D-печати), основанной на создании объекта путем послойного наращивания материала. Модели, получаемые таким образом, могут применяться как для изготовления опытных образцов, так и готовых изделий [1]. Особенностью данной технологии является то, что она позволяет решить проблемы энергозатратности, низкой производственной эффективности, ресурсоемкости и безопасности на строительной площадке [2]. При этом большая часть потенциала аддитивных технологий заключается в достижении повышенных эксплуатационных характеристик готовой продукции, значительной экономии сырья, возможности изготовления конструкций сложной геометрии без усложнения производственного процесса, мобильности производства, а также в ускоренных темпах строительства [3–5].

Аддитивные технологии представлены несколькими способами печати, которые различаются исходным материалом и принципом его нанесения [3]. Среди основных методов печати выделяют следующие: технология послойного наплавления (FDM), стереолитография (SLA), цифровая обработка светом (DLP), выборочное спекание слоев (SLS), трехмерная печать (3DP), производство ламинированных объектов (LOM) и технология PolyJet [6; 7]. Каждый способ печати имеет свои особенности применения, достоинства и недостатки, которые необходимо учитывать при производстве изделий.

Наиболее популярным является FDM-метод, заключающийся в том, что термопластичная полимерная нить (филамент) подается в экструзионную головку 3D-принтера, в которой нагревается до вязкотекучего состояния и выдавливается через сопло диаметром 0,1–0,3 мм по заданной траектории на неподвижное основание. Последующие слои укладываются на предыдущие и затвердевают по мере охлаждения. При этом послойную ориентацию укладки расплавленной полимерной нити можно изменять в соответствии с выбранным алгоритмом, регулируя анизотропию свойств в образце [8; 9]. Качество изделия, получаемого таким образом будет зависеть от ориентации нити расплава (продольно и параллельно направлению нагружения образца, а также вдоль направления наращивания) и растра (0 ^◦ , 90 ^◦ , 0 ^◦ /90 ^◦ , 45 ^◦ /-45 ^◦ ) [10]. Однако при использовании аддитивных технологий довольно сложно предсказать, как поведет себя изделие при действии нагрузок различного вида, что вызывает еще больший интерес со стороны исследователей и академических сообществ.

Цель исследования заключается в оценке влияния технологических режимов FDM-печати на физико-механические характеристики формируемых образцов. Печать осуществлялась с помощью 3D-принтера FlyingBear Ghost 5 при использовании филамента на основе пластика PETG (полиэтилентерефталат, модифицированный гликолем). Для печати использовались базовые настройки в программе (слайсере) Ulnimaker Cura 4.10.0. Толщина филамента – 1,75 мм; толщина слоя (стенка, крышка, заполнение) – 0,2 мм; сопло – 0,4 мм. Формируемые в процессе печати элементы представляли собой образцы-восьмерки (тип 2) по ГОСТ 11262-2017.

Уровни первых двух варьируемых факторов (температура состава и скорость печати) приведены в таблице 1. Третий варьируемый параметр характеризовал собой ориентацию расположения образцов в процессе печати – горизонтальная, вертикальная или боковая (рисунок 1). План экспериментального исследования представлен в табл. 2.

В качестве контролируемых показателей в рамках исследования определяли предел прочности и модуль упругости при растяжении, относительное удлинение при разрыве и максимальной растягивающей нагрузки. Гистограммы изменения упруго-прочностных показателей 3D-печатных образцов представлены на рисунке 2, изолинии изменения вышеуказанных показателей в зависимости от варьируемых факторов – на рисунке 3.

Таблица 1

Уровни варьирования исследуемых факторов в кодированных величинах и их числовые значения

Варьируемые факторы		Уровни варьирования
		-1	0	+1
^ 1	Температура состава, о С	225	235	245
* 2	Скорость печати, мм/сек.	25	40	55

Рис. 1. Схема FDM-печати при изготовлении образцов с учетом их ориентации в процессе печати: 1 – горизонтальная; 2 – вертикальная; 3 – боковая.

По результатам проведенного анализа установлено, что наиболее высокие упругопрочностные показатели достигнуты при боковой ориентации печати (рисунок 2, а, б). Предел прочности при растяжении для экспериментальных образцов, изготовленных по данному режиму, превышает аналогичные показатели для горизонтальной печати на 14 – 59%; модуль упругости – на 14 – 26%.

Формирование образцов в направлении «вертикальная печать» приводит к существенному снижению предела прочности при растяжении, достигающему 20 – 45% (рисунок 2, а). При этом изменение модуля упругости по сравнению с образцами, изготовленными при горизонтальной ориентации печати, не превышает 7% (рисунок 2, б).

Таблица 2

а)

б)

Ориентация печати

Температура скорость печати. °C / (мм/сек.):

□ 225 /25 0 225/55 0245/25  Ш245 /55 0235/40

Рис. 2. Изменение предела прочности (а) и модуля упругости (б) при растяжении, относительного удлинения при разрыве (г) и достижении образцами максимальных растягивающих нагрузок (в) FDM-печатных материалов в зависимости режимов печати.

г)

Температура • скорость печати, °C / (мм/сек.):

□ 225 /25  Я225/55  0 245 /25  П245/55  0235/40

План экспериментального исследования

Номер серии образцов	Варьируемые факторы
	в кодируемых величинах		в реальных величинах
	* 1	* 2	Температура состава, о С	Скорость печати, мм/сек.	Ориентация печати
1	-1	-1	225	25	горизонтальная
2	-1	1	225	55
3	1	-1	245	25
4	1	1	245	55
5	0	0	235	40
6	-1	-1	225	25	вертикальная
7	-1	1	225	55
8	1	-1	245	25
9	1	1	245	55
10	0	0	235	40
11	-1	-1	225	25	боковая
12	-1	1	225	55
13	1	-1	245	25
14	1	1	245	55
15	0	0	235	40

а)

б)

в)

д)

Температура состава, °C

Предел прочности при растяжении (горизонтальная печать), МПа

225    230    235    240    245

Температура состава, °C

Предел прочности при растяжении (вертикальная печать), МПа

225    230    235    240    245

Температура состава, °C

Предел прочности при растяжении (боковая печать), МПа

г)

е)

Модуль упругости при растяжении (горизонтальная печать), МПа

Модуль упругости при растяжении (вертикальная печать), МПа

Рис. 3. Изолинии изменения предела прочности (а, в, д) и модуля упругости (б, г, е) при растяжении FMD-печатных материалов в зависимости от температуры состава и скорости печати для горизонтального (а, б), вертикального (в, г) и бокового (д, е) направлений печати.

Относительное удлинение образцов при максимальном уровне растягивающих нагрузок для горизонтальной и боковой ориентации печати варьируется в интервале от 2,4 до 3,6%, снижаясь для вертикальной печати до 1,2 – 1,9% (рисунок 2, в). Формирование нисходящих ветвей кривых деформирования и, как следствие, увеличение относительного удлинения при разрыве по сравнению с относительным удлинением при достижении максимальных уровней растягивающих нагрузок, зафиксировано только для трех серий образцов (№ 3 – 5, таблица 2) из пятнадцати исследованных. Температура печати в вышеуказанных опытах составляет 235, 245 ^о С, ориентация печати – горизонтальная (рисунок 2, г).

Анализ изолиний изменения предела прочности и модуля упругости при растяжении в зависимости от температуры и скорости FDM-печати свидетельствует о существенных различиях в характере распределения свойств в зависимости ориентационного эффекта (рисунок 3). Так, в случае горизонтальной печати наиболее высокий комплекс прочностных показателей зафиксирован при температуре 245 ^о С и скорости печати 40 – 55 мм/сек (рисунок 3, а, б). Для боковой и вертикальной ориентаций печати, напротив, предел прочности при растяжении повышается при снижении температуры печати до 225 ^о С (рисунок 3, в, д).

Проведенный анализ результатов показал, что в зависимости от ориентации слоя, а также температуры и скорости FDM-печати наблюдается существенное варьирование свойств 3D-печатных образцов, достигающее для предела прочности, модуля упругости при растяжении, относительного удлинения при разрыве и максимальной растягивающей нагрузки (отношение максимального значения к минимальному), соответственно, 2,4, 1,3, 3,3 и 2,8 раз. Дальнейший этап развития данного направления будет связан с расширением числа варьируемых факторов, оказывающих влияние на свойства 3D-печатных образцов, а также оптимизацией технологических режимов, в том числе с учетом используемого филамента.