Стеклонаполненный полипропилен - испытания на разрыв, часть 1

Подписаться на 3Dtoday
Elrenuir
Идет загрузка
Загрузка
29.03.19
4488
27
Техничка
25
Небольшой очерк о том как мы печатали и измеряли разрывную прочность лопаток из стеклонаполненного полипропилена.

Данная статья является логическим продолжением первой статьи о стеклонаполненном полипропилене для 3D печати - статья н1 . В ней мы опишем как мы печатали лопатки. Покажем методику тестирования. Ну и конечно напишем о результатах тестов.

Прежде всего стоит пару слов сказать о типе лопаток и о том как мы их печатали.

Мы использовали образец лопатки по типу DIN EN ISO 527 (Тип 1Б). Этот выбор был не случаен. Потому как мы прежде всего хотели понять как влияет на прочность ориентация заполнения.

Для всех лопаток - печатали соплом 0.6мм, температура печати 260С, обдув 50%, закрытая камера с температурой 30С, за один раз печаталось три лопатки, заполнение 105%, перекрытие между слоями 19% для 0,1мм и 23% для 0,3мм, количество периметров - 1.

Печатали на китайском принтере Two Trees с самодельной термокамерой без подогрева.
a1376116702086c880670c511a5163a0.png
Напечатали лопатки с двумя разными толщинами слоев (0.1 и 0.3) и двумя ориентациями заполнения. (90,90 и 45,45)

Рвали на машине Instron 5969, со скоростью растяжения 1мм в минуту.
fe09bd8c9cc946db184a12f464603c9f.png
слева образец лопаток напечатанных с параллельным заполнением разрываемой области (линии заполняют периметр концентрически и в месте разрыва они все параллельны друг другу) и крест накрест под углом 45 градусов.

Широкое горло лопатки дает возможность уменьшить влияние периметров и на мой взгляд дает более точные данные по прочности на разрыв.

Для каждого значения толщины и ориентации мы напечатали по шесть лопаток.

вот так выглядела часть образцов перед испытаниями.
d68ef3b83a59bde52f744e0ec2ba932c.JPG
Типичный кадр закрепленной лопатки с установленным датчиком на измерение коэффициента Пуассона и процент растяжения.
39519724f76ec8a64da5ab84d2b473cf.JPG
Лопатка после разрыва, со снятым датчиком.
6ac71d8cd334833537a4543bb01bfe2a.JPG
Общий вид машины и герой дня, меривший эту кучу лопаток)
20eea880af0b671fcea8b3cb4319965d.JPG
Как мы уже писали ранее в первой статье - в данном филаменте находятся стекловолокна с длиной порядка 0.5мм. При печати они ориентируются. И это сильно влияет на механические свойства печатных деталей.
ee9a5131ba9ac98c2172908acdf76cc8.JPG
Таблица с результатами измерений

При параллельном заполнении, а значит и при большом количестве периметров можно получить максимальную жесткость и прочность на разрыв в этой плоскости.

Тогда как заполнение под 45 градусов дает максимальную торсионную жесткость самой плоскости при кручении (этот момент нужно будет померить отдельно, но в руках чувствуется). Заполнение играет роль своеобразных распорок. Но прочность на разрыв при этом сильно страдает.
Интересно и влияние толщины печатных слоев - так наибольшая прочность была получена при толщине слой 0,1мм. Это можно объяснить скорее всего лучшей свариваемостью слоев и увеличением степени ориентации стекловолокон при печати. В пользу этой гипотезы говорит еще и то, что при печати слоем 0.3 разница между параллельным и крест-накрест заполнениями не такая существенная.

Так же интересен факт, - все лопатки с ориентацией 90,90 сломались не в середине, а вблизи захватов в области утолщения лопатки где по-видимому структура менее прочная с большим количеством дефектов и напряжений. Так что в параллельной области прочность скорее всего превышает 60 МПа.

Ниже несколько фотографий мест сломов лопаток, полученных с помощью оптического микроскопа.
de230b85496ab0468679b502bfb1e20f.JPG
921c6c05ee04f670c9023703ba7813bb.JPG
На виде с торца видно, что деталь изготовленная с толщиной слой 0.1мм гораздо более однородная, слои не различить. Тогда как слои 0.3 образуют хорошо заметную структуру.

От сюда напрашивается вывод, что для достижения максимальной прочности на разрыв в пределах плоскости нужно использовать максимальное количество периметров. При минимальной толщине слоя.
Подписаться на 3Dtoday
25
Комментарии к статье

Комментарии

29.03.19 в 15:53
1
Без стекла пластик бы добавить в испытания...
Есть не иллюзорная вероятность, что прочность на разрыв может и не сильно отличаться у пластиков с наполнением и без.
Если волокна переплетены или цепляются друг за друга, то с наполенением вероятно будет крепче, а если это гладкие "стержни", да ещё и все сориентированные в одном направлении, то...сила адгезии пластика к наполнителю решает.
В общем, жаль что нет "чистых" образцов.
29.03.19 в 16:10
3
Павел - чистый без наполнителя литьевые лопатки порядка 30 МПа. Соответственно печатные будут порядка 20-25 МПа. Для литьевых образцов со стекловолокном и без разница порядка 150%. Для печатных сравнить сложно. Полипропилен без модиффикаторов непросто печатать на обычном принтере.

Согласен, что адгезия к волокнам многое решает. Поэтому в полимер добавлен специальный агент совместитель, его задача сцепить матрицу с наполнителем.

Кстати, именно когда все ориентированы в одном направлении прочность в этом направлении максимальна.
02.04.19 в 14:37
0
"Есть не иллюзорная вероятность, что прочность на разрыв может и не сильно отличаться у пластиков с наполнением и без."

Это не так. Предел текучести при растяжении PA6 - 65 МПа, при правильном наполнении PA6 углеродным 30%-ми углеродного волокна - прочность возрастает до >200 МПа.
29.03.19 в 16:06
0
При минимальной толщине слоя.
Есть одна рекомендация, которую Picaso для своего Formax (угленаполненный АБС) говорит - поставить поток немного побольше, 1,1 вместо 1,0. Для наилучшего спекания.
29.03.19 в 16:12
0
Да, мы тоже примерно так делали только ставили 1.05 поток ну и 19% перекрытие с соседними слоями.
29.03.19 в 16:13
0
а какое они перекрытие по XY ставят, не знаешь?
29.03.19 в 16:13
0
Остальное стандартное. Температуру побольше и поток тоже.
29.03.19 в 16:17
0
Логично. Мы еще не поняли из за чего большая разница - из за спекания или ореинтации волокон. В ближайшее время будем это выястнять. Мне обещали красивые картинки с томографа))
29.03.19 в 16:36
0
Работа конечно большая, но вывод очень похож на "для того что бы деталь была прочнее, надо брать более прочный материал" :)
Искренне надеюсь что в последующих частях данной статьи будут более подробные данные, диаграммы растяжения (с экстензометр), сравнения с другими материалами.
29.03.19 в 17:41
2
Вывод не совсем такой - важно еще как этим прочным материалом напечатаешь. От толщины слоя и направления заполнения в данном случае разница в два раза может быть. Это нужно иметь в виду при дизайне детали. Это то и хотелось показать. Ну еще и влияние волокон. Сравнивать с другими материалами пока особо не вижу смысла, я это делал в предыдущей статье. Диаграммы растяжения добавлю.
30.03.19 в 01:21
0
Интересно посмотреть на сломы/срезы разной толщины слоя с шагом 0,05 (ну и усилия на разрыв). Понять, имеет ли смысл печатать 0,1, может 0,2 или 0,15 дадут тот же результат. Или настолько близкий, что разницей можно пренебречь.
30.03.19 в 13:06
1
С понедельника начну печатать промежуточные точки 0.15, 0.2, 0.25
0.05 пока не обещаю, не уверен, что принтер справится)
31.03.19 в 12:08
0
Содержательная работа, однозначно плюс
Было бы ещё интересно взглянуть на диаграмму растяжения пластика с разной ориентацией и образца без наполнения.
И коэффициент пуассона. Это помогло бы понять как ведёт себя наполнение в пластике
Ps а если бы ещё и во всех случаях печати ударная вязкость прилагалась, то цены бы статье не было
31.03.19 в 20:53
0
Благодарю за коммент! Диаграммы выложу в следующей статье. И пуассона тоже, хочу сначала посоветоваться с инженерами которые умеют анализировать его лучше меня. С ударной вязкостью придется немного подождать. Лаборатория переезжает в другое здание и это затянется(( самому интересно.
31.03.19 в 13:18
0
Камера из обычного или орг стекла?
31.03.19 в 21:08
0
из оргстекла
03.04.19 в 13:12
0
какой толщиной использовали? И как после эксплуатации ведет себя орг?

Свой Flsun Cube думаю в термокамеру сделать.
04.04.19 в 15:32
0
Акрил 4 мм. Пока никаких проблем. Только учитывай что оно хрупкое и чуть что легко ломается.
31.03.19 в 15:57
0
Так же интересен факт, - все лопатки с ориентацией 90,90 сломались не в середине, а вблизи захватов в области утолщения лопатки
На сколько я помню, такой эксперимент считается неликвидным в силу непонятного напряжённого состояния в месте сломп
31.03.19 в 20:55
0
Уточню этот момент. Это хороший вопрос. Возможно данный вид лопаток не подходит для тестов и нужно выбрать другой тип лопатки с более узким перешейком.
31.03.19 в 18:48
1
Полипропилен без модиффикаторов непросто печатать на обычном принтере.
Печатали на нашем 3D-принтере Faberant Cube полипропиленом от ПринтПродукт. С модификаторами он или нет, не в курсе, но точно без наполнителей. Слои спаиваются отлично. Сопло 0.5 мм, слой 0.2 мм.
Температура стола была 130С, но сейчас можно греть до 170С.


Тут сборка полипропиленового болта с гайкой.
31.03.19 в 21:07
0
Я не спорю про то что можно печатать полипропиленом. Но у обычных марок без наполнителей и модификаторов усадка до 2% это почти в три раза больше чем у АБС. И на незакрытой прюше его не попечатаешь особенно плоские большие детали. (что кстати в видео и говорится).
Мы знаем на примере литьевых лопаток, что разница в прочности около 150% (Для наполненных стеклом и без). Еще печатали минераллонаполненным полипропиленом. Он гдето того же порядка по прочности что и без наполнителя.
И кстати да у полипропилена отличная свариваемость слоев у любых марок в не зависимости от наполнения.
01.04.19 в 11:27
0
Я не спорю про то что можно печатать полипропиленом. Но у обычных марок без наполнителей и модификаторов усадка до 2% это почти в три раза больше чем у АБС. И на незакрытой прюше его не попечатаешь особенно плоские большие детали.
Вы совершенно правы! Печатать полипропиленом нормально получается только в хорошо прогреваемой закрытой камере.
04.04.19 в 19:12
0
Интересно все же ,то что при толщине слоя 0,1 прочность для обоих заполнений остается равной ~ 30 МПа.
Можно ли напечатанную деталь рассматривать как композит с определенной укладкой? Если да, то становится понятно почему, например, у детали 90/90 прочность выше, чем у 45/45, т.к. в целом мы получили анизотропный материал. Но почему при другой толщине слоя получается такой результат - непонятно.
04.04.19 в 19:57
0
В для данного материала видимо да. Потому что имеется ориентация волокон вдоль укладки (длина отдельных волокон сравнима с диаметром нозла). Надеюсь в ближайшее время сделают анализ образцов на этот параметр. Постараюсь выложить результаты в следующем посте. Для слоя 0.3 пока не очень ясно да. Будем разбираться. Возможно от толщины слоя меняется степень ориентации и/или степень свариваемости слоев между собой.

Для написания комментариев, пожалуйста, авторизуйтесь.

Читайте в блогах

Archie - НЕлинейный 3D принтер. Часть 2. Механика и электроника.

3D-печать помогла столичным врачам спланировать операцию на трехлетнем ребенке

Лазерный гравировальный станок в бизнесе. Какие ниши самые популярные?

Петербургские ученые разрабатывают робота-художника

Анатомический макет

Jazz style