Кремень FMZ Реклама
Kremen FMHM Реклама

Внутренние и остаточные напряжения в 3Д печати.

3Dcraft.by
Идет загрузка
Загрузка
25.03.2021
4656
10
Разное

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

11

Дорогие друзья приветствую вас.

Этот пост затронет такие процессы, происходящие внутри печатаемой детали, как внутренние и остаточные напряжения.

P.S.

Для тех, у кого нет желания/времени читать весь пост целиком, вашему вниманию я подготовил видео ниже по ссылке.

И начнём мы с внутренних напряжений. Они, возникают на уровне микроструктуры и играют ключевую роль в микромеханике деформируемого материала.

Различают внутренние напряжения: 1-го, 2-го и 3-го рода.

Напряжения 1-го рода — это зональные внутренние напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и между различными частями детали. Чем выше скорость и неравномерность охлаждения, размеры и сложность детали, тем большего значения достигают внутренние напряжения 1-го рода. Величина внутренних напряжений может сильно отличаться у разных типов материалов (пластика).

Внутренние напряжения 2-го и 3-го рода мы рассматривать не будем, т.к. в материаловедении они описаны преимущественно для металлов. А т.к. данный материал направлено именно на описание процессов, происходящих при 3Д печати полимерами, мы их пропустим.

Внутренние напряжения 1-го рода, проявляются наиболее выражено в виде появления коробления и усадки, либо в виде трещин (прошу не путать с расслоением детали из-за низкого спекания слоёв). Трещины возникают при условии, если материал обладает малой пластичностью и, если внутренние напряжения превзойдут значение предела прочности выбранного материала. Если же материал достаточно пластичен, то вместо трещин, мы увидим такие нежелательные процессы, как усадка и коробление. А так как большинство видов пластика имеют достаточно высокую пластичность, то при печати стоит опасаться именно коробления и усадки.

*Пластичность - это способность материала без разрушения получать большие остаточные деформации, а значит изменять форму материала под действием прикладываемых сил без растрескивания.

Кстати внутренние напряжения могут с учётом проектирования изделия, задаваться в нужном направлении внутри детали для конструктивных целей. Например, в отрасли строительства, при изготовлении плит перекрытия - чтобы плита выдерживала повышенные нагрузки. Но случайные или другими словами неконтролируемые внутренние напряжения являются негативным явлением и вызывают вышеперечисленные нежелательные последствия.

Внутренние напряжения достигают своих максимальных значений на резких переходах в геометрии детали. Такие области называют концентраторами напряжений.

Теперь перейдём к остаточным напряжениям.

Определение здесь следующее — это сохраняющиеся во времени внутренние напряжения, основной причиной возникновения которых является неоднородность деформации в разных точках тела вследствие неравномерности температур или пластических деформаций.

Простыми словами – это продолжение всё тех же внутренних напряжений, стремящихся деформировать деталь, но уже уравновешенные и не превышающие предел прочности самой детали, вследствие чего видимое искажение геометрии детали не происходит.

Природа остаточных и внутренних напряжений имеет одинаковое происхождение, но следует понимать, что внутренними напряжениями называются силы, когда они стремятся активно изменить форму детали в процессе её изготовления и вплоть до момента, пока деформация не остановится. В момент окончания изготовления детали, а также когда процесс деформации приостанавливается, с этого момента внутренние напряжения называются остаточными.

Остаточные напряжения внутри детали будут уравновешены пределом прочности самой детали, т.е. не изменят её форму до тех пор, пока извне (например нами) не будет приложена достаточная сила, которая сместит это равновесие в сторону упругой, либо пластической деформации. При упругой деформации, если приложенная сила исчезнет – деталь примет свою первоначальную форму. При пластической деформации, если с детали убрать прикладываемую силу - деталь останется в своей изменённой, т.е. деформированной форме.

Кроме дополнительных сил, прикладываемых на деталь извне, на внутреннее равновесие так же может повлиять и повторный нагрев, который может уменьшить силы и направления остаточных напряжений в детали. Поэтому в машиностроении есть специальные технологические процессы, для снятия остаточных напряжений – это отжиг, отпуск и нормализация. Эти техпроцессы служат, как для снятия остаточных напряжений, так и для увеличения твёрдости, фазовых превращений из одной структуры металла в другую и т.д. Это говорит о том, какая большая роль отводится снятию остаточных напряжений в процессе изготовления деталей в машиностроении.

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что любая печатаемая деталь испытывает внутренние напряжения, которые могут привести к искажению формы детали. И далее, когда деталь напечатается и остынет и, например, ваших знаний будет достаточно, чтобы в детали не произошла усадка и коробление, в любом случае в ней, неизбежно сохраняться остаточные напряжения, пытающиеся изменить её форму. А также остаточные напряжения продолжат существовать в процессе эксплуатации детали. Как становится понятно, остаточные напряжения являются скрытым явлением и смотря на деталь невооружённым глазом трудно догадаться о процессах, происходящих внутри материала.

Так же хочется отметить, что реальная прочность детали, как раз и зависит от взаимодействия остаточных напряжений и напряжений, вызываемых действием внешних нагрузок.

Из-за того, что прикладываемые к детали нагрузки могут суммироваться с остаточными напряжениями, это в свою очередь приводит к повышенному износу детали. А это значит, что остаточные напряжения могут существенно уменьшать эксплуатационный ресурс детали. В 3Д печати достаточно трудно избавится от остаточных напряжений (лично я, к сожалению, не обладаю знаниями по снятию остаточных напряжений в 3Д печати). Поэтому это не самый лучший выбор процесса изготовления, если распечатанная деталь будет испытывать повышенные динамические нагрузки.

*Динамическая нагрузка – это нагрузка, характеризующаяся быстрым изменением во времени её значения, направления или точки приложения и вызывающая в элементах конструкции значительные силы инерции.

Но всё же если обстоятельства вас вынуждают выбрать именно технологию 3Д печати, тогда рекомендую закладывать высокий запас прочности на этапе проектирование 3Д модели. Это связано, как с остаточными напряжениями, так и с тем, что у этой технологии есть дополнительный понижающий коэффициент прочности детали в виде спекания слоёв.

Но здесь всё же стоит отметить, что практически все технологические методы изготовления, которые использует человечество, несут в себе процесс появления внутренних и остаточных напряжений. Будь то лезвийные, абразивные, термические методы, аддитивные технологии или что-либо другое. Но из-за того, что в машиностроении уже разработаны процессы снятия остаточных напряжений, то 3Д печать в этом плане уступает.

Для полимеров, всё же существует процедура, нужная для снятия напряжения – это прогрев пластика (после изготовления процессами литья и экструдирования). Он происходит следующим образом – готовая деталь помещается в закрытое пространство, затем происходит прогрев среды вокруг детали. Температура среды не должна быть выше температуры стеклования, иначе деталь может размягчится и изменить форму под собственным весом. Температура среды поддерживается какое-то время. И именно в этот момент происходит перераспределение остаточных напряжений с последующим их частичным или полным исчезновением. После чего происходит медленное и равномерное остывание детали. Этап постепенного остывания препятствует повторному появлению остаточных напряжений в детали. Но, здесь стоит подчеркнуть, что это подходит для деталей, изготовленных способом литья или экструдирования, а значит в тех случаях, когда материал получается однородным по всему объёму и без слоёв. Из-за того, что 3Д печать относиться к технологии послойного добавления материала, то за частую спекание слоёв и является слабым звеном при рассмотрении прочностных характеристик конечной детали. 

Так же неизвестно как, после печати, при нагреве будет себя вести тот или иной тип пластика, а также сами производители вносят фактор неопределённости, держа в секрете точную формулу пластика с учётом всех полезных добавок. Поэтому прогрев детали после 3Д печати с целью снятия остаточных напряжений – это пока не решённая проблема.

3Д печать — это относительно свежее направление по сравнению с длинной историей машиностроения, и никаких специальных ГОСТов для этого нет. Но вместо этого мы с вами формируем многочисленные сообщества 3Д любителей, которые стараются делиться накопленным опытом, тем самым находя оптимальные способы для решения тех или иных проблем и задач. В итоге в этой статье, я не могу дать каких-то чётких рекомендаций о том, как избавится от остаточных напряжений, а наоборот выношу эту проблему на повестку дня, т.к. для компетентного ответа необходимо провести огромное количество испытаний и обладать огромным багажом знаний о свойствах полимеров и специфики их химико-физических процессов. И эта задача под силу, как раз нам с вами, при условии широкого обсуждения этой проблемы.

Сразу хочу рассмотреть вариант в виде ацетоновой бани. Если использовать такой метод, чтобы не было растрескивания по слоям (расслоения) и уже после этого прогреть деталь, то это действительно неплохое решение, но не во всех случаях. Минус такой процедуры заключается в том, что ацетоновая баня вносит существенное снижение точности линейных размеров детали. А это крайне негативный эффект, особенно если детали будут собираться, например, в узел.

Из всего вышесказанного становится очевидно, что неизбежно придётся делится опытом, чтобы появлялись общие знания, на основании которых уже можно будет что-либо подобрать индивидуально для каждого случая. Поэтому не скупитесь и внесите свой вклад. Я буду очень рад вашим экспериментам с термообработкой детали после печати и последующим комментариям. Чтобы в будущем любой зритель, который читает эту статью, смог подчерпнуть для себя знания и из ваших комментариев.

Спасибо за внимание. Надеюсь материал был для вас полезным, желаю вам всего хорошего. 

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

11
Комментарии к статье