Влияние отжига на ударопрочность деталей машин, изготовленных по технологии 3D-печати из полилактида

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Ударная вязкость пластиков, применяемых для 3D-печати, является важнейшим свойством, влияющим на их практическое применение при производстве и ремонте сельскохозяйственной техники [1]. Несмотря на способность отдельных марок пластиков, таких как полилактиды (PLA), к биологическому разложению и совместимость с аддитивными технологиями производства, такими как 3D-печать, существуют факторы, ограничивающие применение рассматриваемых материалов для изготовления деталей машин, работающих в условиях динамического нагружения [2].

Повышение ударной вязкости материалов, применяемых для 3D-печати, имеет важное промышленное и технологическое значение [3–6]. В различных областях применения, особенно в тех, где требуется высокая прочность и долговечность конструкций (например, сельскохозяйственная техника), присущая пластикам хрупкость ограничивает возможности по их применению. Низкая ударная вязкость может привести к преждевременному выходу из строя или снижению долговечности деталей сельскохозяйственных машин и оборудования [7, 8].

Интерес представляют исследования по повышению ударной вязкости пластиков, применяемых для 3D-печати. Различные вариации включают модификацию материала и оптимизацию технологии его обработки. Отжиг является производительным и экономичным способом по сравнению с другими технологиями термообработки [9, 10]. Данная технология включает в себя выдержку изделия в печи в диапазоне от температуры стеклования до температуры плавления и поддержание данных режимов в течение заданного времени.

В ходе исследования было изучено влияние толщины слоя и процентного содержания наполнителя на ударную вязкость образцов из материала PLA, изготовленных по технологии 3D-печати, по методу Шарпи, а также проведён сравнительный анализ. Ударные испытания позволили количественно оценить поглощенную энергию при пластической деформации образцов, и в результате испытаний выявлено, что наибольшее поглощение энергии происходит при плотности наполнителя 85%.

Результаты экспериментов свидетельствуют о значимом влиянии армирования углеродным волокном и плотности наполнителя на ударную вязкость отожжённых образцов из материала PLA, при этом 100%-ная плотность наполнителя приводит к увеличению ударной вязкости на 5,5%. Термообработка при 80°C и 90°C повысила ударную вязкость на 97,80% и 133,20% соответственно по сравнению с необработанными образцами PLA. Ударные характеристики образцов были оценены с учётом таких факторов, как анизотропия материала, толщина слоя и объемное содержание волокон.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящего исследования является анализ влияния термообработки отжигом в зависимости от параметров печати, на ударную вязкость деталей, изготовленных по технологии 3D-печати.

МЕТОДЫ

Параметры 3D-печати представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Параметры 3D-печати

Table 1. The 3D printing parameters

Параметр	Значение
Диаметр сопла, мм	0,40
Тип слоя	Плоский
Кол-во верхних твёрдых слоёв, шт.	4
Кол-во нижних сплошных слоёв, шт.	4
Внутренний рисунок заполнения	Прямолинейный
Внешний рисунок заполнения	Прямолинейный
Внутренние угловые смещения, °	45…135
Температура экструдера, °C	210
Температура подогреваемой подложки, °C	60
Скорость печати по умолчанию, мм/с	70
Диаметр нити, мм	1,75
Плотность нитей, г/см3	1,24

 

В процессе изготовления использовался 3D-принтер Raise E2 с размерами рабочей зоны 330×240×240 мм. Параметры 3D-печати образцов приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Характеристики образца

Table 2. Properties of the sample

Характеристика	Значение
Постоянные параметры
Ориентация сборки	X-Y
Скорость печати, мм/с	80
Температура осаждения, °C	210
Модель Infill	Линии под углом 45°
Переменные параметры
Толщина слоя Lt, мм	0,10 / 0,15 / 0,20
Процент заполнения Ip, %	50 / 75 / 100

 

Размерные характеристики образцов показаны на рис. 1(а).

 

Рис. 1. Образцы, использованные для экспериментов: a — электронная модель образца, b — фото натурных образцов, подвергнутых отжигу.

Fig. 1. Samples used for experiments: a — an electronic model of the sample, b — photos of full-scale samples subjected to annealing.

 

Процесс отжига включал выдержку образцов при температуре 75 °C в течение 3 часов, что несколько выше температуры стеклования, с последующим постепенным и контролируемым охлаждением. Образцы равномерно охлаждались в печи, изображённой на рис. 2.

 

Рис. 2. Печь, используемая для термообработки.

Fig. 2. The furnace used for heat treatment.

 

Испытания на удар были проведены в лаборатории с использованием маятникового тестера Instron Sharpie (рис. 3) в соответствии со стандартом ISO 179-1:2010.

 

Рис. 3. Машина для ударных испытаний.

Fig. 3. The impact testing machine.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

В ходе исследования проводилось изучение влияния параметров печати и термообработки при отжиге на ударную вязкость образцов, изготовленных по технологии 3D-печати из материала PLA. Для каждого эксперимента подготовлено по пять образцов. Результаты механических испытаний были определены на основе средних значений ударной вязкости, полученных для данных образцов. Значения максимальной поглощённой энергии для каждой комбинации параметров печати, включая как отожжённые, так и неотожжённые образцы, представлены в табл. 3.

 

Таблица 3. Средние значения энергии удара

Table 3. Average values of impact energy

Толщина, мм	Процент заполнения Ip, %	Энергия ET, Дж		Разница, %
		Отожжённый образец	Образец без обработки
0,10	50	0,162	0,072	125,07
	75	0,228	0,088	157,62
	100	0,220	0,078	181,29
0,15	50	0,167	0,078	114,10
	75	0,235	0,075	213,63
	100	0,311	0,081	283,72
0,20	50	0,190	0,076	148,97
	75	0,202	0,080	152,84
	100	0,278	0,082	238,82

 

Общая поглощённая энергия удара рассчитана по следующей формуле:

$E_{\text{т}}=mg(h_0-h_f)$, (1)

где E_т — полная поглощённая энергия, Дж, m — масса, кг, g=9,81 м/с² — ускорение свободного падения, h₀ — начальная высота маятника, м, h_f — высота маятника после удара, м.

На рис. 4 показаны средние значения поглощённой энергии удара в зависимости от параметров печати (толщина слоя и процент заполнения) как для неотожжённых, так и для отожжённых образцов.

 

Рис. 4. Сравнительные значения поглощённой энергии удара, полученные для отожжённых образцов.

Fig. 4. Comparative values of the absorbed impact energy obtained for the annealed samples.

 

Процентная разница в поглощённой энергии удара между отожжёнными и неотожжёнными образцами для каждого набора параметров печати проиллюстрирована на рис. 5, где показано влияние термообработки на ударопрочность образцов.

 

Рис. 5. Процентное изменение поглощённой энергии удара после отжига.

Fig. 5. Percentage change in absorbed impact energy after annealing.

 

Поглощённая энергия удара увеличилась на 125,10% и 283,70% соответственно для отожжённых и неотожжённых образцов благодаря оптимальному сочетанию толщины слоя 0,15 мм и 100%-ного наполнителя. Значительно увеличилась ударная вязкость — на 97,80% и на 133,20% для отожжённых и неотожжённых образцов соответственно.

Для каждой толщины слоя наименьшее увеличение ударной вязкости отожжённых образцов по сравнению с неотожжёнными было зафиксировано при 50%-ном заполнении, в то время как более выраженный эффект от использования термообработки отжигом наблюдался при 100%-ном заполнении.

Для образцов, изготовленных в соответствии со стандартными параметрами, максимальная поглощённая энергия удара была достигнута при 75%-ном заполнении и толщине слоя 0,1 мм, в то время как минимальное значение наблюдалось при 50%-ном заполнении и толщине слоя 0,2 мм (рис. 6).

 

Рис. 6. Влияние параметров печати на поглощённую энергию удара для образцов без термообработки.

Fig. 6. The effect of printing parameters on the absorbed impact energy for samples without heat treatment.

 

Для отожжённых образцов максимальная поглощённая энергия удара была зафиксирована при 100%-ном заполнении и толщине слоя 0,15 мм, а минимальное значение соответствовало 50%-ному заполнению и толщине слоя 0,1 мм (рис. 7). Кроме того, было установлено, что ударопрочность отожжённых деталей увеличивается с увеличением процента заполнения. При каждом проценте заполнения максимальная поглощённая энергия удара неизменно достигалась при толщине слоя 0,15 мм.

 

Рис. 7. Влияние параметров печати на поглощённую энергию удара для отожжённых образцов.

Fig. 7. The effect of printing parameters on the absorbed impact energy for annealed samples.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На ударную вязкость существенно влияют такие параметры печати, как толщина слоя и процент заполнения, а также режим последующей термообработки отжигом. Основным фактором, определяющим ударопрочность отожжённых деталей, изготовленных по технологии 3D-печати, является процент заполнения, при этом максимальная поглощённая энергия удара наблюдается при 100%-ном заполнении.

Увеличение ударной вязкости за счёт отжига позволяет предположить, что данный вид термообработки является подходящим способом повышения ударопрочности деталей машин из PLA, изготовленных посредством 3D-печати и предназначенных для применения в условиях динамических нагрузок. Полученные результаты свидетельствуют о том, что отжиг позволяет повысить ударопрочность деталей, изготовленных по технологии 3D-печати из материала PLA, который может широко применяться в производстве и при ремонте сельскохозяйственных машин и оборудования.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. В.-А.В. Бадакова — исследование влияния параметров 3D-печати на ударопрочность PLA-материала, разработка экспериментальной методики и координация выполнения лабораторных испытаний, участие в анализе результатов и в написании основной части статьи; Д.С. Талдыкин — подготовка образцов для экспериментов, включая настройку параметров печати и проведение отжига; проведение испытаний на ударопрочность и участие в обработке данных; М.Г. Плетнёв — статистическая обработка результатов экспериментов и анализ данных с использованием метода ANOVA, что позволило выявить значимость факторов; участие в написании разделов статьи, посвящённых результатам и заключению. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведённым исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Данная статья подготовлена в рамках выполнения 1-го этапа научно-исследовательской работы, реализуемой за счёт средств федерального бюджета (источник финансирования — Минобрнауки РФ) по теме: «Разработка научных, методологических и практических основ реверсивного инжиниринга для решения комплексных задач импортозамещения в агропромышленном комплексе Российской Федерации» (шифр научной темы FZNW-2024-0026).

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. V.-A.V. Badakova — conducted research on the influence of the 3D printing parameters on the impact resistance of the PLA material, developed the experimental methodology and coordinated the laboratory tests, results analysis and writing the main part of the manuscript; D.S. Taldykin — preparation of samples for experiments, including setting up printing parameters and annealing, conducting impact resistance tests and participated in data processing; M.G. Pletnev — statistical processing of experimental results and data analysis using ANOVA, which helped to identify the significance of factors. He also participated in writing the results and conclusion sections of the paper. All authors confirm their authorship compliance with the ICMJE international criteria (all authors made a significant contribution to the conceptualization, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This manusript was prepared as part of the 1st stage of the research activity carried out at the expense of the federal budget (the source of funding is the Ministry of Education and Science of the Russian Federation) on the topic: “Development of scientific, methodological and practical foundations of reverse engineering for solving complex import substitution problems in the agricultural industry of the Russian Federation” (code of the scientific topic FZNW-2024-0026).

Об авторах

Василиса-Анастасия Васильевна Бадакова

Государственный университет управления; Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

Email: Vasilisk754@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-1990-6526
SPIN-код: 1390-4338

аспирант кафедры «Управление промышленными организациями», специалист лаборатории реверсивного инжиниринга

Россия, Москва; Москва

Дмитрий Сергеевич Талдыкин

Государственный университет управления; Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: dima.dima.taldykin@mail.ru
ORCID iD: 0009-0008-5071-426X
SPIN-код: 2271-8386

студент Конструкторско-механического факультета, лаборант кафедры «Детали машин и теория механизмов»

Россия, Москва; Москва

Максим Геннадьевич Плетнёв

Государственный университет управления; Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

Email: pletnevmg@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1917-0782
SPIN-код: 9468-7240

аспирант кафедры «Управление промышленными организациями», старший научный сотрудник УНИР

Россия, Москва; Москва

Список литературы

Дополнительные файлы