Визначення параметрів процесу 3D-друку за технологією пошарового наплавлення пластика для виготовлення виробу з потрібними конструктивними параметрами

Автор(и)

  • Олексій Олександрович Вамболь Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-1719-8063
  • Андрій Валерійович Кондратьєв Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова, Україна https://orcid.org/0000-0002-8101-1961
  • Світлана Михайлівна Пургіна Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0001-6992-5210
  • Марина Анатоліївна Шевцова Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0003-3176-5017

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.227075

Ключові слова:

3D-друк, параметри процесу, FDM-технологія, міцність на розтягнення, точність виготовлення, PLA, товщина шару

Анотація

Массовое использование FDM-технологии тормозится из-за определенной сложности, связанной с выбором параметров 3D-печати для создания изделия с требуемыми характеристиками. В данной статье представлено исследование влияния параметров 3D-печати (температура, скорость печати, высота слоя) на механические параметры (прочность, модуль упругости), а также на точность печати и шероховатость поверхности образца на основе термопласта (PLA). Для исследования были изготовлены несколько партий образцов в соответствии с ASTM D638 и ASTM D695, на которых были проведены испытания на растяжение, определение геометрической точности и шероховатости. На основании полученных экспериментальных данных был проведен регрессионный анализ и построены функциональные зависимости прочности, модуля упругости, точности печати и шероховатости поверхности от параметров 3D-печати (температура, скорость, толщина слоя). Кроме того, на основании полученной математической модели методом нелинейного программирования были получены параметры печати, обеспечивающие требуемые свойства конструкции. Полученные в работе аналитические зависимости имеют достаточно высокий коэффициент детерминации в рассматриваемом диапазоне параметров. Использование функциональных зависимостей на этапе проектирования конструкции позволяет оценить возможность ее изготовления с требуемыми свойствами, сократить время на отработку процесса ее печатания и дать рекомендации относительно технологических параметров 3D-печати. Представленные рекомендации можно использовать для изготовления изделий из PLA-пластика различного назначения с требуемыми свойствами

Біографії авторів

Олексій Олександрович Вамболь, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»

Кандидат технічних наук

Кафедра композитних конструкцій та авіаційного матеріалознавства

Андрій Валерійович Кондратьєв, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова

Доктор технічних наук, професор

Кафедра технології будівництва та будівельних матеріалів

Світлана Михайлівна Пургіна, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»

Кандидатка технічних наук

Кафедра композитних конструкцій та авіаційного матеріалознавства

Марина Анатоліївна Шевцова, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»

Кандидатка технічних наук, доцентка

Кафедра композитних конструкцій та авіаційного матеріалознавства

Посилання

  1. Stavychenko, V., Purhina, S., Shestakov, P. (2018). Prediction of specific electrical resistivity of polymeric composites based on carbon fabrics. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (12 (92)), 46–53. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.129062
  2. Felton, H., Hughes, R., Diaz-Gaxiola, A. (2021). Negligible-cost microfluidic device fabrication using 3D-printed interconnecting channel scaffolds. PLOS ONE, 16 (2), e0245206. doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0245206
  3. Bychkov, A. S., Kondratiev, A. V. (2019). Criterion-Based Assessment of Performance Improvement for Aircraft Structural Parts with Thermal Spray Coatings. Journal of Superhard Materials, 41 (1), 53–59. doi: https://doi.org/10.3103/s1063457619010088
  4. Hu, Z., Vambol, O. (2020). Topological designing and analysis of the composite wing rib. Aerospace Technic and Technology, 6, 4–14. doi: https://doi.org/10.32620/aktt.2020.6.01
  5. Mhapsekar, K., McConaha, M., Anand, S. (2018). Additive Manufacturing Constraints in Topology Optimization for Improved Manufacturability. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 140 (5). doi: https://doi.org/10.1115/1.4039198
  6. Andreev, A. V., Karpov, Ya. S., Taranenko, I. M., Shevtsova, M. A. (2016). Analiz nekotoryh fundamental'nyh problem sozdaniya konstruktsiy iz kompozitnyh materialov i vozmozhnyh putey ih resheniya. Voprosy proektirovaniya i proizvodstva konstruktsiy letatel'nyh apparatov, 4, 37–49. Available at: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Pptvk_2016_4_5
  7. Tymrak, B. M., Kreiger, M., Pearce, J. M. (2014). Mechanical properties of components fabricated with open-source 3-D printers under realistic environmental conditions. Materials & Design, 58, 242–246. doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.02.038
  8. Raut, S., Jatti, V. S., Khedkar, N. K., Singh, T. P. (2014). Investigation of the Effect of Built Orientation on Mechanical Properties and Total Cost of FDM Parts. Procedia Materials Science, 6, 1625–1630. doi: https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.146
  9. Chacón, J. M., Caminero, M. A., García-Plaza, E., Núñez, P. J. (2017). Additive manufacturing of PLA structures using fused deposition modelling: Effect of process parameters on mechanical properties and their optimal selection. Materials & Design, 124, 143–157. doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.03.065
  10. Wu, W., Geng, P., Li, G., Zhao, D., Zhang, H., Zhao, J. (2015). Influence of Layer Thickness and Raster Angle on the Mechanical Properties of 3D-Printed PEEK and a Comparative Mechanical Study between PEEK and ABS. Materials, 8 (9), 5834–5846. doi: https://doi.org/10.3390/ma8095271
  11. Gonabadi, H., Yadav, A., Bull, S. J. (2020). The effect of processing parameters on the mechanical characteristics of PLA produced by a 3D FFF printer. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 111 (3-4), 695–709. doi: https://doi.org/10.1007/s00170-020-06138-4
  12. Vasilescu, M. D., Groza, I. V. (2017). Influence of technological parameters on the roughness and dimension of flat parts generated by FDM 3D printing. Nonconventional Technologies Review, 21 (3), 18–23. Available at: https://www.researchgate.net/publication/321585763_INFLUENCE_OF_TECHNOLOGICAL_PARAMETERS_ON_THE_ROUGHNESS_AND_DIMENSION_OF_FLAT_PARTS_GENERATED_BY_FDM_3D_PRINTING
  13. Christiyan, K. G. J., Chandrasekhar, U., Venkateswarlu, K. (2016). A study on the influence of process parameters on the Mechanical Properties of 3D printed ABS composite. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 114, 012109. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899x/114/1/012109
  14. Sukindar, N. A., Ariffin, M. K. A. B. M., Baharudin, B. T. H. T. B., Jaafar, C. N. A. B., Ismail, M. I. S. B. (2017). Analysis on temperature setting for extruding polylactic acid using open-source 3D printer. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 12 (4), 1348–1353. Available at: https://www.researchgate.net/publication/316696762_Analysis_on_temperature_setting_for_extruding_polylactic_acid_using_open-source_3D_printer
  15. Rankouhi, B., Javadpour, S., Delfanian, F., Letcher, T. (2016). Failure Analysis and Mechanical Characterization of 3D Printed ABS With Respect to Layer Thickness and Orientation. Journal of Failure Analysis and Prevention, 16 (3), 467–481. doi: https://doi.org/10.1007/s11668-016-0113-2
  16. Alafaghani, A., Qattawi, A., Alrawi, B., Guzman, A. (2017). Experimental Optimization of Fused Deposition Modelling Processing Parameters: A Design-for-Manufacturing Approach. Procedia Manufacturing, 10, 791–803. doi: https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.07.079
  17. Tontowi, A. E., Ramdani, L., Erdizon, R. V., Baroroh, D. K. (2017). Optimization of 3D-Printer Process Parameters for Improving Quality of Polylactic Acid Printed Part. International Journal of Engineering and Technology, 9 (2), 589–600. doi: https://doi.org/10.21817/ijet/2017/v9i2/170902044
  18. Ouhsti, M., El Haddadi, B., Belhouideg, S. (2018). Effect of Printing Parameters on the Mechanical Properties of Parts Fabricated with Open-Source 3D Printers in PLA by Fused Deposition Modeling. Mechanics and Mechanical Engineering, 22 (4), 895–908. doi: https://doi.org/10.2478/mme-2018-0070
  19. Hashemi Sanatgar, R., Campagne, C., Nierstrasz, V. (2017). Investigation of the adhesion properties of direct 3D printing of polymers and nanocomposites on textiles: Effect of FDM printing process parameters. Applied Surface Science, 403, 551–563. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.01.112
  20. Sood, A. K., Ohdar, R. K., Mahapatra, S. S. (2010). Parametric appraisal of mechanical property of fused deposition modelling processed parts. Materials & Design, 31 (1), 287–295. doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.06.016
  21. Lanzotti, A., Grasso, M., Staiano, G., Martorelli, M. (2015). The impact of process parameters on mechanical properties of parts fabricated in PLA with an open-source 3-D printer. Rapid Prototyping Journal, 21 (5), 604–617. doi: https://doi.org/10.1108/rpj-09-2014-0135
  22. Christiyan, K. G. J., Chandrasekhar, U., Venkateswarlu, K. (2019). Investigation on the mechanical properties of PLA & its composite fabricated through advanced fusion plastic modelling. Journal of Mechanical Engineering Research and Developments, 42 (3), 47–54. doi: https://doi.org/10.26480/jmerd.03.2019.47.54
  23. Yang, T.-C. (2018). Effect of Extrusion Temperature on the Physico-Mechanical Properties of Unidirectional Wood Fiber-Reinforced Polylactic Acid Composite (WFRPC) Components Using Fused Deposition Modeling. Polymers, 10 (9), 976. doi: https://doi.org/10.3390/polym10090976
  24. Letcher, T., Rankouhi, B., Javadpour, S. (2015). Experimental Study of Mechanical Properties of Additively Manufactured ABS Plastic as a Function of Layer Parameters. Volume 2A: Advanced Manufacturing. doi: https://doi.org/10.1115/imece2015-52634
  25. Garson, G. D. (2014). Multiple Regression. Statistical Associates Publishers, 462.
  26. Bhatti, M. A. (2000). Practical Optimization Methods. Springer, 715. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4612-0501-2
  27. Cavazzuti, M. (2013). Optimization Methods. From Theory to Design Scientific and Technological Aspects in Mechanics. Springer, 262. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-642-31187-1

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-04-20

Як цитувати

Вамболь, О. О., Кондратьєв, А. В., Пургіна, С. М., & Шевцова, М. А. (2021). Визначення параметрів процесу 3D-друку за технологією пошарового наплавлення пластика для виготовлення виробу з потрібними конструктивними параметрами . Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(1 (110), 70–80. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.227075

Номер

Том 2 № 1 (110) (2021): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Виробничо-технологічні системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Алексей Александрович Вамболь, Андрей Валериевич Кондратьев, Светлана Михайловна Пургина, Марина Анатольевна Шевцова

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.