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

Таблица 2

Некоторые прочностные характеристики материала GF -12

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

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.

Рис. 2. Схема испытания 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

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.

Рис. 4. Схема испытания 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

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.