Исследование зависимости прочностных характеристик изделия от параметров 3D-печати и используемого материала

В настоящее время в связи с обстановкой в мире во многих отраслях производства наблюдается проблема с поставкой запасных частей для оборудования и не только. В ситуации, когда поставка оригинальных деталей невозможна или занимает слишком длительный срок, например, поставка какого-либо кронштейна, критически необходимого для работы МРТ-аппарата, необходимо иметь возможность изготовить деталь самостоятельно. Зачастую, к деталям выставляются дополнительные требования, например: работа в сложных климатических условиях (с большой амплитудой температур, с низкими / высокими температурными минимумами и максимумами), работа в средах с сильными магнитными полями и прочее.

Все такие особенности нам необходимо учитывать при разработке и производстве своих изделий. Кроме этого, не стоит забывать про прочность.

Давайте проведём исследование зависимости прочностных характеристик от различных факторов (тип материала, плотность внутреннего заполнения, направление укладки слоёв), а также представление графиков зависимости прочности от изменяющегося параметра. С целью сделать результат исследования более точным, предположим, что необходимые для корректной печати параметры, а именно температура сопла и нагревающего стола, поток, скорость работы вентилятора обдува были откалиброваны, а также «шаблон» заполнения и количество стенок не менялись («сетка» и 3 соответственно).

Мною был выбран один из наиболее доступных на рынке пластиков для FDM-печати материал – PET-G-пластик компании Bestfilament (Производство: Россия).

Рис.1. Тестовая модель

 

Рис. 2. Чертёж тестовой модели

Произведена печать 27 тестовых моделей, отличающихся направлением слоёв (параллельно основанию, перпендикулярно и под наклоном 45°) и плотностью заполнения (20…100% с шагом 10%). Деталь после нарезки в слайсере (использовалась Cura 5.1) изображена на рис. 3.

Рис. 3. Тестовая модель после нарезки на слои

При проведении экспериментов использовалась Испытательная машина фирмы "Метротест" РЭМ-50-1-1, измеряющая нагрузку (в кН), время (в с) и деформацию (в мм). Каждая деталь прошла тест на прочность (процесс можно увидеть на рис. 4).

Рис. 4. Проведение эксперимента

Рис. 5. Графики зависимости деформации (мм) от прикладываемого усилия (%) при горизонтальном направлении слоёв

Резкий срыв графика означает, что деталь сломалась.

Графики зависимости прочности детали в зависимости от плотности заполнения и направления слоёв представлены на рис. 6.

Рис.6. Зависимость усилия «на слом» (кН) от плотности заполнения (%) при различных направлениях слоёв

Исходя из графиков, делаем вывод, что зависимость прочности от плотности заполнения близка к линейной. Также, направление укладки слоёв заметно влияет на необходимое для повреждения усилие; деталь, слои которой направлены параллельно вектору прикладываемого усилия, прочнее остальных в 1.6 раза.