Файл: Температураны бетіні кедірбдырлыы мен кеуектілігіне андай.pdf

23
3.1 Механические свойства
При печати функциональных деталей их важнейшими характеристиками являются модуль Юнга, предел прочности при растяжении, предел текучести и пластичность. Эти параметры в разной степени влияют на механические свойства деталей, изготовленных машиной FDM.
Следует отметить, что основным параметром FDM для получения функциональной детали является заполнение детали, определяющее процентное содержание материала. Этот параметр должен быть зафиксирован на высоких значениях, которые связаны с отрицательными значениями параметра воздушного зазора.
Существует широкий спектр исходных материалов FDM, из которых акрилонитрил бутадиен стирол (ABS) и полилактид (PLA) широко изучены благодаря их хорошим механическим свойствам. Ориентация модели и угол растра являются факторами, которые наиболее существенно влияют на растягивающие свойства изделий, включая модуль Юнга, предел прочности при растяжении и пластичность, а затем толщину слоя и другие параметры
FDM. Построение деталей ABS и PLA в плоском направлении является оптимальным направлением для обеспечения наибольшего модуля Юнга, но воздействие угол растра существенно отличается. Наибольшая предельная прочность достигается при печати под углами 45° и 0°/90° для образцов PLA и ABS соответственно. Толщина слоя также является важным входным параметром, влияющим на их растягивающие свойства. Небольшие толщины слоев (менее 1 мм) являются наиболее адекватными для реализации деталей
FDM с хорошими механическими характеристиками. Межслойные и межрастровые связи являются одними из самых слабых в процессе FDM.
Поэтому ширина растра должна быть большой, чтобы покрыть всю адгезионную поверхность, чтобы обеспечить высокую степень сцепления в детали.
Исходное сырье FDM не ограничивается материалами ABS и PLA.
Существует несколько полимеров, которые также классифицируются как жесткие и прочные FDM-материалы, например, поликарбонат (PC), полипропилен (PP), PEEK, UTEM и полиамид (PA).
Что касается вязкости разрушения, то она наиболее высока при нулевом угле растра, что может увеличить вязкость разрушения ????
????
примерно до 2 и 5
МПа∗ m
1/2
для ABS и PLA соответственно. Вязкость разрушения также может быть улучшена за счет увеличения степени шероховатости смеси материалов, поскольку зерна, присутствующие в материале, имеют тенденцию сопротивляться росту трещин.

24
Рисунок 10 − Когезионность нити при различных температурах печати (а) и объемная плотность ρ (б) и пористость f (с) как функции температуры печати
3.2 Влияние температуры печати
Большое внимание было уделено поиску оптимальных параметров траектории движения инструмента и выяснению их влияния на рисунок печати и объект 3D-печати. Но, отношением между этими параметрами печати и температурой печати часто пренебрегают. Одной из основных проблем, связанных с процессом моделирования плавленого осаждения, является поддержание адекватной температуры печати для обеспечения плавной работы печати. Неадекватный температурный диапазон экструзии может привести к повреждению продукта. Низкие температуры могут привести к низкой адгезии слоя (рис. 9), отслаиванию слоев и даже засорению сопла. При высокой температуре печати могут возникать большие температурные градиенты, и попытки поддерживать постоянную высоту слоя могут изменить желаемую геометрию деталей.
Во всех условиях рекомендуется высокая или умеренная температура.
Повышенная температура повышает среднюю температуру между слоями, и тратится больше времени выше ????
????
, что улучшает межслойную сварку. Кроме того, угол и ширина растра становятся более регулируемыми и обеспечивают высокую адгезию в слоях. Слои сглаживаются, и шероховатость поверхности всей детали уменьшается.
Анизотропия печатных деталей лучше поддается контролю при высоких температурах печати. Пустоты в мезоструктуре с поперечно-сшитым расположением нитей являются основным фактором увеличения пористости
????. Низкая температура препятствует адекватному осаждению потока через

25 сопло и может генерировать разрывные растры и снижать когезию между осажденными нитями. Высокая температура печати снижает пористость печатных деталей за счет минимизации теплопередачи наплавленных растров и максимизации времени охлаждения в процессе печати (рис. 10).
Приближенная формула (1) для пористости ???? и температуры печати ????
????
на основе микротомографических измерений:
????(%) = 19.2 − 0.06????
????
(°????)
(1)
Рисунок 11 − Пористость ???? 3D-печатного PLA, выявленная методом рентгеновской микротомографии: вид поперечного сечения (а) и расположение сети пористости (б): 1 — пустота, 2 — растр, 3 — слой, 4 — рамка, 5 — ширина, 6 — длина, 7 — сеть пористости, 8 — поверхностная пористость, 9 — направление построения, 10 — филамент PA
Рисунок 12 − Одноосная прочность на растяжение (Uniaxial tensile strength)
(а), модуль Юнга E (б) и вязкость разрушения ????
????
(в) в зависимости от температуры печати ????
????

26
Эта линейная модель показывает, что поры не распределены произвольно в печатной части — они сосредоточены на пересечении печатных растров (рис. 11).
Температура печати сильно коррелирует с механическими свойствами, причем анизотропия печатного рисунка является основной причиной его механической слабости. Как уже упоминалось, высокая температура печати улучшает межфиламентную сварку и приводит к высокой адгезии между слоями, что повышает модуль упругости и прочность на растяжение. Краткое изложение результатов литературных исследований представлено на рис. 12, где показано, что механические свойства различных полимерных композитов, изготовленных из FDM, зависят от температуры печати.

27

4 Печать FDM
Если производительность материала определяет верхний предел производительности печатных устройств, то соответствующая настройка параметров процесса является эффективной стратегией достижения верхнего предела производительности. Параметры процесса FDM можно разделить на четыре категории, включая температуру, иерархию, скорость и растр. FDM печатает функциональные устройства с помощью экструзионных сопел шириной около 0,1–1 мм. FDM-подобная техника использует сопла сантиметровой ширины. Система аддитивного производства большой площади, также с сантиметровыми масштабными соплами, может печатать
3D-структуры размером порядка нескольких метров. Несмотря на рекордно высокую скорость экструзии, решение проблемы компромисса между скоростью и разрешением имеет важное значение для ускорения внедрения
FDM и индустриализации.
4.1 Усилие для быстрой печати
Начиная с первой коммерческой системы FDM, продаваемой компанией
Stratasys, все они являются экструзионными 3D-принтерами с зубчатым приводом. Филамент подается шестернями в камеру, где нить полностью расплавляется, как показано на рис. 13. Приложенная режущая сила между филаментом и шестернями приводит в движение расплавленный полимер, протекающий через сопло. Умножая площадь поперечного сечения сопла и скорость экструзии, он дает скорость экструзии. В настоящее время размер нити FDM стандартный с диаметром 1,75 мм. Согласно закону сохранения массы, скорость экструзии FDM-принтера в основном определяется скоростью подачи зубчатого колеса. Были предприняты усилия по увеличению скорости подачи зубчатого колеса, как показано на рис. 14, с целью улучшения скорости экструзии и дальнейшего увеличения скорости печати FDM. Например, вал двигателя (большой круг) прижимает нить накала к шариковому кольцу (малый круг), загоняя ее вниз через камеру и выталкивая через сопло, как показано на рис. 14(б). На рис. 14(в) показано другое решение для увеличения силы зажима, тем самым улучшая скорость подачи нити накала. Однако, учитывая внутреннее высокое сопротивление тепловому проникновению полимерной нити, более высокая скорость подачи нити приведет к более высокому риску щелчка экструдера, проскальзывания шестерен и засорения сопла.

28
Рисунок 13 − Схема стратегий моделирования процесса FDM
Рисунок 14 − Зубчатые экструзионные сопла для принтеров FDM:
(а) ведущая шестерня, имеющая тот же диаметр, что и опорный ролик;
(б) ведущая шестерня, имеющая больший диаметр, чем опорный ролик;
(в) несколько ведущих шестерен и опорные ролики, но ведущие шестерни имеют тот же диаметр, что и опорные ролики.
4.2 Усилия по улучшению разрешения
В 3D-печати разрешение — это качество или уровень детализации, при котором создается продукт. Более высокое значение разрешения означает больше деталей печати. В общем случае при использовании FDM движение печатающей головки как в плоскости X–Y, так и в плоскости Z определяет, насколько тонким будет разрешение. На самом базовом уровне разрешение X–
Y контролируется размером сопла и движением печатающей головки. Но, для разрешения Z тепло является доминирующим фактором в определении результата. Это происходит потому, что из-за теплопередачи небольшая высота слоя будет искажать предыдущие слои. В этой обзорной работе основное внимание уделяется усилиям по улучшению разрешения X–Y. На рис. 15 показаны типичные сопла FDM с различными размерами, а также примеры, показывающие разницу в разрешении между соплами 0,25 и 0,4 мм.
Очевидно, что меньшее сопло дает более высокое разрешение печати (то есть более детальные отпечатки). Но, при меньшем размере сопла (например, диаметр 0,2 мм) недостатками процесса печати являются блокирование и

29 изгиб, и даже проскальзывание проволоки на зажимном колесе. Это происходит потому, что нить экструдируется до очень плотного диаметрального допуска с помощью сопла с зубчатым приводом. Изменение диаметра нити накала может привести к блокировке и/или проскальзыванию проволоки на зажимном колесе.
Рисунок 15 − (а) Типичное промышленное сопло FDM с различными размерами; (б) печатные тексты FDM с различными размерами сопла; (в) ювелирные изделия FDM с различными размерами сопла; (г) миниатюры
FDM с различными размерами сопла.
Одна из больших проблем, возникающих из-за небольших сопел, — это создание противодавления против выдавливания филамента. Обычные решения этой проблемы заключаются либо в том, чтобы печатать на низкой скорости, либо в том, чтобы избегать использования небольших сопел. При более высокой скорости печати противодавление накапливается за счет геометрии сопел. Таким образом, высокая скорость печати обычно не рекомендуется при использовании сопла с небольшим размером. Были предприняты усилия по преодолению этих проблем. Ученые предложили сменную насадку на основе мини-шнековой экструзии для быстрой печати при использовании сопла 0,4 мм. Разница между коммерческим соплом FDM и винтовым соплом показана на рис. 16. На рис. 16(а) нить приводится в движение штифтовыми колесами и выдавливается через сопло с относительно низкой скоростью, обеспечивая полное расплавление в камере. Как показано на рис. 16(б), мини-шнековый экструзионный сопловой блок FDM состоит из сопла, шнека и цилиндра, а также периферийных устройств. Печатный материал продвигается вперед мини-винтом, но выдавливается через сопло с относительно высокой скоростью. Путем экструзии PCL скорость экструзии была улучшена до 65 см
3
/ч. После оптимизации конфигурации сечения шнека и геометрии шнека скорость экструзии была значительно улучшена до 167 см
3
/ч для PEEK. Конфигурация и геометрия винтового соплового блока FDM

30 проиллюстрированы на рис. 16(в). Однако недостатком винтового соплового агрегата является то, что для обеспечения полного плавления требуется несколько типов нагревателей, окружающих ствол. Следовательно, вес мини- шнекового экструзионного сопла FDM намного выше, чем сопла на основе нити. Из-за большого веса это приводит к большой инерционной силе в процессе печати, что приводит к затруднению контроля точности печати.
Рисунок 16 − (а) сопло FDM на основе филамента; (б) сопло FDM на основе винта; (в) конфигурация и геометрия блока сопла FDM на основе винта.
Стоит отметить, что набухание штампа существует как при FDM на основе нити, так и при FDM на основе винта. Это происходит, когда неньютоновская жидкость течет в пресс-форме в процессе экструзии. Из-за напряжения сдвига, образующегося вдоль стенки матрицы, полимерные цепи выравниваются с направлением потока. Когда они достигают выхода из сопла, ограничения исчезают, и, таким образом, поскольку конформационная энтропия имеет тенденцию к увеличению, эти цепи вынуждены возвращаться в свое первоначальное и несоосное состояние, что приводит к увеличению объема (т.е. диаметра экструдата). В результате размер экструдата больше, чем размер матрицы. Форма поперечного сечения также изменяется, когда неньютоновская жидкость вынуждена выдавливать выходную матрицу. На сегодняшний день, как сообщалось, наименьший диаметр сопла составлял 0,15 мм. Хотя было заявлено, что FDM-принтер может печатать объект размером
50 микрон или даже выше, очень важно отметить, что заявленное разрешение ограничено по оси Z. Из–за набухания матрицы разрешение или ширина печати по оси X-Y никогда не достигают 0,15 мм или выше.

31
5 Исследования и разработки в области FDM
За последние два десятилетия были предприняты обширные научно- исследовательские и опытно-конструкторские работы с использованием технологии FDM. Эти усилия были направлены на улучшение качества деталей, производимых в процессе FDM, улучшение обработки в рамках FDM, расширение ассортимента материалов для FDM, а также применение этой технологии в различных областях машиностроения. Основываясь на опубликованной литературе в научных журналах, исследования и разработки в области FDM можно разделить на следующие основные категории:
− улучшение качества деталей;
− совершенствование процесса;
− разработка новых материалов;
− свойства материала;
− приложения.
Для того чтобы улучшить качество деталей, производимых методом
FDM, многие исследователи направили свои усилия на повышение точности размеров, на улучшение шероховатости поверхности производимых деталей.
Также были проведены исследования по разработке новых стратегий нарезки, алгоритмов ориентации сборки и оптимизации стратегий сборки для улучшения качества деталей.
Кроме того, были проведены исследования по улучшению общего процесса FDM путем разработки лучшей генерации поддержки, проектирования и оптимизации процессов, а также понимания характеристик процесса с помощью численного моделирования процесса FDM.
Также, была проведена обширная исследовательская работа по разработке новых материалов в форме нитей для обработки FDM. Для различных новых применений был разработан целый ряд новых материалов, включая металлы, керамику, композиты из металлов и полимеров, а также биоматериалы. Значительная работа была проделана в определении механических и термических свойств деталей, изготовленных методом FDM.
Из-за уникальной обрабатывающей способности процесса FDM были проведены значительные исследования по применению процесса FDM в производстве каркасов для тканевой инженерии, изготовлении моделей биомедицинских устройств, а также в производстве инструментов и штампов для литья под давлением и других процессов литья.