DOI: 10.22184/2499-9407.2022.27.2.58.64

Рассмотрено влияние режима 3D-печати на комплекс механических, оптических и тепловых свой­ств термопластичного прозрачного полимерного материала PETG (полиэтилентерефталат-­гликоль), обработанного по аддитивной технологии FFF (Fused Filament Fabrication). Показано наличие зависимости между коэффициентом пропускания света, толщиной образца и его ориентацией во время 3D-печати.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по станкостроению
Другие серии книг:
Мир станкостроения
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #2/2022
П. А. Петров, Д. Р. Агзамова, Н. С. Шмакова, В. А. Пустовалов, Б. Ю. Сапрыкин, И. А. Чмутин, Е. Д. Жихарева
Cвой­ства пластика PETG после 3D-печати по технологии FFF. Часть 2
Просмотры: 1470
DOI: 10.22184/2499-9407.2022.27.2.58.64

Рассмотрено влияние режима 3D-печати на комплекс механических, оптических и тепловых свой­ств термопластичного прозрачного полимерного материала PETG (полиэтилентерефталат-­гликоль), обработанного по аддитивной технологии FFF (Fused Filament Fabrication). Показано наличие зависимости между коэффициентом пропускания света, толщиной образца и его ориентацией во время 3D-печати.
Cвойства пластика PETG после 3D-печати по технологии FFF. Часть 2 *
П. А. Петров, Д. Р. Агзамова, Н. С. Шмакова, В. А. Пустовалов, Б. Ю. Сапрыкин, И. А. Чмутин, Е. Д. Жихарева

Рассмотрено влияние режима 3D-печати на комплекс механических, оптических и тепловых свой­ств термопластичного прозрачного полимерного материала PETG (полиэтилентерефталат-­гликоль), обработанного по аддитивной технологии FFF (Fused Filament Fabrication). Показано наличие зависимости между коэффициентом пропускания света, толщиной образца и его ориентацией во время 3D-печати.

Результаты исследования
механических свой­ств

Проанализируем характер изменения механических свой­ств у исследуемых композиций пластика PETG. Рассмотрим два свой­ства – ​предел прочности при растяжении и относительное удлинение при растяжении. Результаты испытаний для всех композиций представлены в табл. 4. На рис. 12–14 отображены зависимости механических свой­ств от температуры стеклования и композиции пластика.

Изменение угла ориентации образца при 3D-печати с 0 на 90° приводит к повышению прочности образца материала при увеличении температуры стеклования. Такое изменение прочности может быть обусловлено тем, что при ориентации 90° сказывается влияние неравномерного распределения температуры по высоте образца. На этот эффект и его последствия указывается в ряде исследований зарубежных авторов, например в работе [10].

Для предела прочности наблюдается достаточно большой разброс значений, в зависимости от температуры стеклования композиции (рис. 12) и композиции пластика (рис. 13). Так, например, для ПЕТГ‑8 получено наибольшее значение предела прочности – ​64,77 МПа, а минимальное значение – ​для композиции ПЕТГ‑3 51,67 МПа.

Угол ориентации образца во время 3D-печати несущественно влияет на прочностные свой­ства исследуемого материала. Относительное удлинение (рис. 14) у ПЕТГ‑3 достигает максимального значения как при 0°, так и при 90°. При этом температура стеклования данной композиции стремится к минимальному значению (см. табл. 4) среди значений всех исследованных композиций.

ДСК анализ показывает, что композиция ПЕТГ‑3 характеризуется небольшим пиком энтальпии релаксации при первом нагреве и достаточно широким пиком тепловых процессов (рис. 15). Наличие пика энтальпии может свидетельствовать о присутствии в полимере аморфной структуры, приводящей к тому, что механические свой­ства композиции ПЕТГ‑3 одинаковы или практически одинаковы во всех направлениях (см. рис. 14 а и б).

Результаты исследования оптических свой­ств
Оптические свой­ства изделия, получаемого по аддитивной технологии, в нашем случае – экструзионной технологии 3D-печати, оцениваются для композиций полимера тип PETG. Методом спектрофотометрии оценивался показатель пропускной способности образцов полимера каждой композиции. С учетом того, что образцы изготавливались разной толщины, от 0,4 до 1,2 мм (см. табл. 3), количество слоев, формируемых соплом печатающей головки при 3D-печати, было также различно.

При ориентации 0° – толщина одного слоя составляет 0,1 мм. Толщина образца при 3D-печати формируется за счет набора необходимого количества слоев. Для образца толщиной 0,4 мм – ​количество слоев 4; для образца толщиной 0,6 мм – ​6 слоев; для образца толщиной 1,2 мм – ​12 слоев.

При ориентации 90° толщина образца формировалась за счет других параметров настройки 3D-принтера – ​толщины стенки (оболочки), диаметра сопла и ширины линии, форми­руемой соплом. Для образца толщиной 0,4 мм – ​количество слоев 1; для образца толщиной 0,6 мм – ​1,5 слоя; для образца толщиной 1,2 мм – ​3 слоя.

На рис. 16–19 представлены результаты испытаний направленных на оценку коэффициента пропускания света при ориентации образца 0° и 90° полимера тип PETG. Вновь, в качестве независимого параметра выбрана температура стеклования (рис. 16–17) и композиция полимера (рис. 18–19).

Ориентация образца при 3D-печати, как ранее упоминалось, оказывает влияние на распределение температуры по объему изготавливаемого изделия. Для образцов полимера с одной и той же композицией, но с разной ориента­цией, коэффициент пропускания уменьшается. При ориентации образца 0° коэффициент пропускания имеет большие значения (см. рис. 16 и 17). Здесь также следует учитывать количество слоев, за счет которых набирается толщина образца. Количество слоев как геометрический параметр, формирующий толщину образца, влияет на потери при прохождении световой волны сквозь материал. При ориен­тации 0° увеличение количества слоев в два раза приводит к снижению коэффициента пропускания от 10 до 70%, в зависимости от композиции полимера.

При ориентации 90° увеличение количества слоев в два раза приводит к снижению коэффициента пропускания от 36 до 90%, в зависимости от композиции полимера (рис. 16 а и б; табл. 4). Если за базовое значение принять коэффициент пропускания света при минимальном количестве слоев, из которых формируется толщина образца, то полученные результаты показывают, что в пределах каждой ориентации образца – 0° или 90° – коэффициент пропускания света снижается примерно на одну и ту же долю относительно базы.

При сравнении характера изменения коэффициента пропускания света при ориентации 0° и 90° выявилось, что при ориентации 90° уменьшение оптической характеристики наиболее сильное. Предположительно, полученный результат связан с формированием градиента температуры в изготавливаемом образце, несмотря на то что 3D-принтер, с помощью которого производилась 3D-печать, имеет пассивную термокамеру. Возможность формирования градиента при ориентации 90° подтверждается результатами, представленными в других исследовательских работах, например в работе [10].

Выводы и заключение
Проведенное исследование и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы. Температура начала теплового процесса зависит от температуры стеклования композиции прозрачного полимерного материала PETG; причина наблюдаемого разброса значений температуры может быть уточнена за счет определения молекулярной массы каждой композиции, а также проведения дополнительного исследования методом ИК-спектроскопии. Состав композиции пластика определяет температуру стеклования при первом нагреве. 3D-печать из нити пластика соответствует первому нагреву материала.

Предел прочности исследуемого материала меняется при изменении температуры стеклования и угла ориентации образца при 3D-печати. Одна из причин такого изменения механических свой­ств может быть связана с температурным градиентом, наблюдаемым при ориентации образца под углом 90°. Противоположное свой­ство – ​относительное удлинение d – ​изменяется иначе: чем выше предел прочности, тем меньше значение d.

Оптические свой­ства пластика PETG имеют более сложный характер изменения, зависящий от ориентации образца при 3D-печати, количества слоев, формирующих толщину образца, состава композиции прозрачного пластика. Предположительно, наиболее существенное влияние оказывают количество слоев и состав композиции. Уточнение данного предположения выходит за рамки данной статьи и требует проведения дополнительных исследований.

Литература
Dhinakaran V.,  Manoj Kumarn K. P.,  Bupathi Ram P. M. , Ravichandran M. , Vinayagamoorthy M. A review on recent advancements in fused deposition modeling, MaterialsToday: Proceedings, 2020, Volume 27, Part 2, 752–756.
Gao X. , Qi, S. Kuang X.,  Su Yu Li J., Wang D. Fused filament fabrication of polymer materials: A review of interlayer bond. Additive Manufacturing, Available online 10 October 2020, 101658 In Press. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101658.
Петров П. А., Бронин М. С., Сапрыкин Б. Ю., Долгов М. С. 3D печать низкотемпературным пластиком // Аддитивные технологии. 2022. № 1. С. 16–19.
Maloch J.,  Hnátková E.,  Žaludek M.,  Krátký P. Effect of processing parameters on mechanical properties of 3D printed samples. In Materials Science Forum. 2018. Vol. 919. PP. 230–235. Trans Tech Publications
Oliveira de Miranda M. F.,  Ribeiro F.J.O. Saad, Núbia dos Santos Guarato A. Z. Experimental analysis on the mechanical properties of PETG parts made with fused deposition modeling manufacturing. 25th ABCM International Congress of Mechanical Engineering (COBEM 2019) October 20–25, 2019. https://doi.org/10.26678/ABCM.COBEM2019.COB2019-1931.
Szykiedans K., Credo W.,  Osiński D. Selected mechanical properties of PETG 3-D prints, Procedia Engineering, 2017, 177, 455–461.
Sathish K., Soundararajan R., Shanthosh G., Saravanakumar P., Ratteesh M. Augmenting effect of infill density and annealing on mechanical properties of PETG and CFPETG composites fabricated by FDM // November 2020 Materials Today: Proceedings (в печати)
Kaushal Sharma. Effect of FFF Process Parameters on Density and Mechanical Properties of PETG and Carbon Fiber Reinforced PETG Composites. Master Thesis, 2021. 134 p.
Blok L. G., Longana M. L., Yu H., Woods B. K.S. An investigation into 3D printing of fibre reinforced thermoplastic composites // Additive Manufacturing. 2018. Vol. 22. PP. 176–186.
Lepoivre A., Boyard N., Levy A., Sobotka V. Heat Transfer and Adhesion Study for the FFF Additive Manufacturing Process // Procedia Manufacturing. 2020. Vol. 47. PP. 948–955, ISSN 2351-9789, https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.04.291.

Авторы
Петров Павел Александрович
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой Московского политехнического университета
Агзамова Диана Расимовна
магистрант Московского политехнического университета
Шмакова Наталья Сергеевна
руководитель Технологического центра коллективного пользования АО «Технопарк Слава»
Пустовалов Владимир Андреевич
магистрант Московского политехнического университета
Сапрыкин Борис Юрьевич
старший преподаватель Московского политехнического университета
Чмутин Игорь Анатольевич
доцент Центра проектной деятельности Московского политехнического университета
Жихарева Елена Дмитриевна
старший преподаватель Центра проектной деятельности Московского политехнического университета
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art