Прочность на изгиб изделий из PLA

Подписаться на 3Dtoday
Pavel_A
Идет загрузка
Загрузка
04.02.19
2245
41
Обзоры
26
Статья относится к принтерам:
ZENIT
Добрый день
Продолжаю осваивать принтер Zenit 3D.
Меня давно интересовал следующий вопрос – какая прочность изделий, напечатанных по технологии FDM из разных материалов. Поиски в интернете давали качественные характеристики – прочный/хрупкий. Также не нашел данных по зависимости прочности от толщины слоя, и от направления приложения нагрузки. Поэтому, в качестве эксперимента, на котором можно опробовать настройки по изменению ретракта, которые я собирался изменять в прошлой статье, решил напечатать бруски для определения прочности на изгиб, благо на работе имеется доступ к машине, позволяющей проводить такие исследования, с регулированием скорости нагружения, и максимальной нагрузкой в 50 КН (для пластика такая нагрузка конечно же не нужна).
В комплекте с принтером шел пластик производства Стримпласт, марки «PLA Ecofil Лимонно-желтый 1,75 мм». В описании к материалу указано, что предел текучести данного материала 60 МПа.
Описание процесса подготовки образцов и условий эксперимента.
Итак, были подготовлено по 8 образцов размером 5х5х30 мм, с фасками в 45 градусов размером 1 мм. Настройки печати – согласно инструкции пользователя принтера. По результатам экспериментов, для данных образцов, для предотвращения появления «волосков» на изделиях дистанцию отвода пришлось увеличить до 1,2 мм (в инструкции 0.8 мм). Буду наблюдать на следующих изделиях, не приведет ли это к каким-то пробелам.
Процент заполнения 10, 30, 60, 100. Высота слоя – 0,3 и 0,1мм. По факту слайсер нарезал не 0,3, а около 0,295 мм, т.к. было 17 слоев, а высота 5 мм.
Скорость печати как в инструкции - быстро 60 мм/с.

Условия испытаний:
Скорость предварительного нагружения -20 мм/мин
Скорость рабочего нагружения – 3 мм/мин
Расстояние между осями опор – 15 мм
714310e7366f1b53d955eaa1fa00cb25.jpg
Результаты испытаний
Результаты приведены в таблице.
539323221cf0c33920db56f305369e50.jpg
Первые два столбца понятны.
Столбец «Направление нагрузки» - в случае, когда направление нагружение было параллельно оси Z образец лежал на опорах так же как печатался. В случае «параллельно X» -образец на опорах лежал боком.
Следующий столбец – среднее значение нагрузки, при которой происходило разрушение образца, или достигался предел перемещения.
Предел прочности на изгиб – результат расчета, в соответствии со следующей формулой:
71340f93f62e10375a2203255a5c93c0.jpg
Образцы с процентом заполнения до 30 для толщины слоя в 0,3 мм и 10% с толщиной слоя 0,1мм при нагружении вели себя идентично. Испытания останавливались в результате достижения траверсой максимально допустимого перемещения (2.5 мм).
Нагружение параллельно оси Z
88622da11c99fda23c367b0b35b384f5.jpg
Нагружение параллельно оси X
4d7a86d0da6501f904eddf6e79547ee5.jpg
При таком виде нагружения снизу образца происходило расслоение по слоям.

При увеличении процента заполнения характер разрушения изменился, и образцы исправно ломались, вне зависимости от направления приложения нагрузки и толщины слоя

Образец 30 % заполнения, толщина слоя 0,1мм
8ccd18c3a9e1ae2aac0a3d332f321a30.jpg
Образец 100% заполнения, толщина слоя 0,3 мм.
9ccfe944059ec20877adb76dc2d8e82c.jpg
Из таблицы видно, что при нагружении образцов параллельно оси Х прочность выше от 10 до 20%, при той же толщине слоя и проценте заполнения.
Также видно, что несмотря на практически в 3 раза большую высоту слоя, а следовательно и в 3 раза большее количество слоев и время печати, прочность при прочих равных находится в пределах погрешности. Это значит, что если не надо высокое декоративное качество поверхности, высоту слоя можно ставить на максимум, допустимый производителем.

Не хочу загружать вас основами сопротивления материалов, и расчетов на прочность конструкций, кому интересно может найти все самостоятельно.

Приведу для сравнения таблицу с прочностью на изгиб для разных видов дерева:
5f0b6a63953a01e2ad1af55303627a18.jpg
При проектировании изделий, необходимо учитывать наличие текстуры, присущей данному типу 3д печати. Однако, полученные изделия, по прочности могут быть сопоставимы с самыми прочными сортами древесины.
Позже проведу аналогичные испытания для ABS пластика.
Подписаться на 3Dtoday
26
Комментарии к статье

Комментарии

04.02.19 в 09:18
0
Спасибо за измерения. Пригодится для деталей, требующих расчетов.
04.02.19 в 11:24
0
Спасибо за положительный отзыв
04.02.19 в 09:21
0
Интересный и полезный материал. Спасибо автору.
04.02.19 в 09:48
0
Почему расстояние между опорами выбрано 15 мм? При больших расстояних должно быть проще и точнее измерения.
расчетов на прочность конструкций, кому интересно может найти все самостоятельно.
Вот это как раз было бы интересно. Найти конечно можно, но это время, а вы вроде как уже все нашли. А без этой теории измерения выглядят как магия жреца.
04.02.19 в 09:51
1
Почему расстояние между опорами выбрано 15 мм?
Думаю, что это установка такая.
При больших расстояних должно быть проще и точнее измерения.
Проще, но если читать внимательно, то автор писал, что для некоторых образцов не хватило хода толкателя, а если ставить расстояние больше, то и подавно не хватит.
04.02.19 в 10:48
0
Думаю, что это установка такая.
Если это промышленная установка, то обычно этот параметр регулируется.
хватило хода толкателя,
Судя по фото ход меньше сантиметра, как-то маловато.
04.02.19 в 10:50
0
то обычно этот параметр регулируется.
Автор же написал, что ход поршня ограничен. Поэтому он и поставил минимум.
или достигался предел перемещения.
04.02.19 в 10:59
0
Автор же написал, что ход поршня ограничен. Поэтому он и поставил минимум.
Уже четыре раза перечитал, не могу найти место, где автор про это пишет. Пожалуйста, ткните в точную цитату.
04.02.19 в 11:00
0
В том же комментарии есть цитата ниже.
04.02.19 в 11:13
0
Тут в обсуждении кроме нас никого нет, если не считать два "спасибо". Вы писали эту статью вместе с автором (Pavel_A)? Если так, то извините, по никам было не понятно. Искал поиском по словам, "поршень", "ограничен", "толкатель" - слова только в комментариях. Если честно, я в растерянности и недоумении. Мы походу читаем разные версии этой статьи.
04.02.19 в 11:15
0
Процитирую из статьи.
или достигался предел перемещения.

Нет, я не писал эту статью с автором. Рекомендую внимательно читать.
04.02.19 в 11:53
0
Рекомендую внимательно читать.
Да уж сколько можно, не вижу этого в тексте, поэтому и просил точную цитату. Ладно, но этом свет клином не сошелся. Переживу.
04.02.19 в 12:04
0
Испытания останавливались в результате достижения траверсой максимально допустимого перемещения (2.5 мм).
Ниже формулы (между формулой и фото несломанных образцов)
04.02.19 в 11:20
0
"Испытания останавливались в результате достижения траверсой максимально допустимого перемещения (2.5 мм). "

Такое расстояние обусловлено особенностями испытательной машины. При большем перемещении низ образца упирается в опору, и получается не изгиб, а сжатие.
04.02.19 в 13:54
0
Уже четыре раза перечитал, не могу найти место, где автор про это пишет. Пожалуйста, ткните в точную цитату.
Под первой табличкой после жирной точки.
04.02.19 в 11:18
0
Да, Вы совершенно правы. Сначала я пробовал использовать нижнюю часть с роликами с расстоянием между центрами в 30 мм. В этом случае образцы не ломались, а просто прогибались. Поэтому было выбрано расстояние в 15 мм
04.02.19 в 13:46
1
Увы, но при такой постановке это не испытания на изгиб, т.к. явно перестает работать теория плоских сечений. За труды +, но по факту это что то другое, нежели заяленное.
04.02.19 в 14:27
1
Прошу аргументировать, в чем это "явно перестает работать теория плоских сечений" по Вашему мнению?

Точно по такой методике оценивается прочность на изгиб различных материалов, начиная от бетонов, композиционных материалов, твердых сплавов, различных металлов.
Вот несколько ГОСТов, для подтверждения, и во всех случаях аналогичная схема нагружения.
ГОСТ 10180-2012 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам
ГОСТ 25.604-82 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов).
ГОСТ 18228-94 Материалы металлические спеченные, кроме твердых сплавов. Определение предела прочности при поперечном изгибе
05.02.19 в 13:48
0
Применять госты от бетона и металла не корректно, т.к. это пластичный материал с низким модулем упругости.
Самый близкий, это от композитов, но там судя по разделу №3 должны быть размеры совсем другие. К тому же пункт 5,4 и 5,5 подразумевают разные понятия "изгиба".
В вашем же случае по внешнему виду, я бы сказал что некоторые образцы получили повреждения не от общего изгиба, а от локальных деформаций. то как примерно пытаться согнуть полосу или же её разрезать.
06.02.19 в 14:56
0
Я их не применял, а привел для того, чтобы показать, что такая схема нагружения применяется для широкого спектра материалов.

Размеры образца учитываются в формуле, и, зачастую, выбираются исходя из возможностей измерительного оборудования.
У стального швелера, и прутка из одинаковой стали (одинаковой термообработкой и прочими равными факторами) прочность на изгиб будет одинаковая, несмотря на разные размеры.
06.02.19 в 17:05
0
По классической формуле я могу спокойно посчитать балку длинной 1 метр, сечением 1м*1м. НО при этом это будет не иметь ни чего общего с действительность. Конечно можно это учесть дополнительными коэффициентами учитывающими геометрию, характеристики материала и прочее, но у Вас в формуле этого не видно. Вот на прим скрин контактной задачи - Как видите уровень общего НДС не велик, но есть зона с многократным превышением. Объем зоны распространения локальных напряжений может быть разным от способа приложения нагрузки, закрепления, геометрии и характеристик материала. В вашем же случае есть подозрение (судя по фотографиям) что в виду сближения опор и особенностей материала эти зоны имели большое распространение и по этому адекватность результатов вызывает сомнение.
aa7cf06d4c03d87825857abd0adc0781.jpg
06.02.19 в 20:57
0
о каком сближении опор вы говорите? если вы можете посчитать балку в 1 кубометр, то нарисовать, хотя бы условно, векторы направления нагрузок и подавно сможете. и увидите, что для того чтобы опоры начали сближаться к ним надо прикладывать усилие.
Но по условиям проведения эксперимента и конструкции испытательного узла, опоры надежно лежат в ложементах, не меняя расстояние между своими центрами.
06.02.19 в 22:44
0
Стоп, стоп,стоп! Не уходите в сторону! Ни про какое движение опор не может и быть речи. Просто раз вы приводили ГОСТЫ, то я думал что вы хотя бы их смотрели, ибо в стандарте про композиты говорится что расстояние между опорами должно быть сравнимо с 10*характерный_размер. Вы же используете коэффициент равный 3. И наша дискуссия и посвящена тому, что при таких маленьких пролетах область пластической деформации может оказаться значительной и повлиять на корректность результатов.
04.02.19 в 14:46
0
Хм...
попробую в свободное время затолкать во фьюжн "идеальный" PLA для сравнения )
04.02.19 в 14:49
0
было бы интересно сравнить расчеты с экспериментами

Напишите. пожалуйста, если удастся выкроить свободное время и провести такой расчет
04.02.19 в 15:06
0
Напишу.
сейчас гуглю параметры по PLA - забить данные материала. АБС есть, ПЕТ есть а пла в стоке нет :(
04.02.19 в 18:21
0
А тип заполнения то какой? Без сравнения, как минимум, линий, сот, кубиков и гироида - это не полноценный тест.
06.02.19 в 14:43
0
Тип заполнения линии, самый стандартный.

Если у вас есть возможность провести полноценный тест, с использованием всех типов заполнения, процентов заполнения, марок пластиков, температур, толщин слоев, использования разных слайсеров и настроек слайсеров, и прочих факторов, влияющих на прочность, Вам все будут очень признательны.

Я сделал те испытания, которые смог, и не претендую на полноту тестирования.Но даже этой информации я не смог найти.
04.02.19 в 21:15
0
Непременное спасибо за сопромат и измерения.
06.02.19 в 14:33
0
Спасибо за положительный отзыв
05.02.19 в 14:32
1
Результаты испытаний завышены, на мой взгляд. Можете показать фото оснастки с установленным образцом? Вероятнее всего, чистый изгиб не реализуется - предполагаю это по характеру деформации образцов.
06.02.19 в 14:33
0
Вы, наверное, прочнист от рождения, раз такие вещи на взгляд можете оценивать.
Я таким талантом не обладаю, поэтому использовал измерительную машину.
Я не слышал о понятии чистый или грязный изгиб, поясните, что вы имеете ввиду.
06.02.19 в 14:43
0
К сожалению, да, прочнист я не от рождения, а лишь последние 10 лет, но с трёх точечным изгибом успел поиметь дело.
Фото покажете?
06.02.19 в 15:05
0
да покажу,на следующей неделе, хотя фото повторит схему, приведенную в статье.
15.02.19 в 14:02
0
adf52911742990affa94fb0f6283b578.JPG

Фото оснастки с установленным образцом
15.02.19 в 16:06
0
Спасибо за фото. Прикинул что получается по напряжениям в Вашем случае и при расстоянии между роликами 40 мм. Получается, что при таком маленьком расстоянии между опорами раньше начинается смятие под центральным роликом. На картинке овалами выделены области с максимальными напряжениями. При расстоянии 40мм определяющим уже становится изгиб. Одно но, в свою модель для образца закладывал модуль упругости в 10 раз ниже, чем для стали, поэтому результаты показывают только качественную картину. И конечно же краевые эффекты при таком маленьком расстоянии тоже видны.
5ea963b6e1c4367f105fd19968068656.jpg
15.02.19 в 22:43
0
Как-то теория не сходится с практикой.
Для изделий с большим процентом заполнения образцы ломаются, а не сминаются, и именно по середине, где на Вашей модели зона обведена эллипсом. Следы от верхнего ролика можно увидеть только пристально всматриваясь.
Смятие обнаружено только на образцах с малым процентом заполнения, и то, после того как низ образца уперся в опору.
16.02.19 в 10:20
0
Образцы в любом случае будут разрушаться в центральной части, независимо от того, что преобладает смятие или изгиб. Но говорить о корректности результатов можно только в том случае, если преобладает изгиб. Моя основная мысль в том, что такое маленькое расстояние между роликами приводит к некорректному нагружению.
Использованная для расчетов формула применима для балок, нагруженный моментом, а при таком маленьком расстоянии между роликами Вашу схему нагружения свести к балке, нагруженной моментом не получится. Распределение напряжений будет отличаться.
16.02.19 в 16:00
0
Машина и оснастка выполнены для проведения испытаний в соответствии с ГОСТами. Возможно, конечно, что ГОСТы устарели, и теперь что-то изменилось.
06.02.19 в 14:47
0
"
Различают частные случаи изгиба: поперечный, прямой, чистый, косой, продольный, продольно-поперечный;"

"Чистый изгиб – плоский изгиб, при котором в сечениях стержня из шести внутренних усилий возникает только одно – изгибающий момент (см. первый случай)."

06.02.19 в 15:01
1
спасибо за пояснение

Для написания комментариев, пожалуйста, авторизуйтесь.

Читайте в блогах

Станок для намотки миниатюрных электромагнитов. (+программка)

В очередной раз о печати шестеренок

Способ изготовления изогнутых деталей из ПЛА

Anycubic i3 Mega - знакомство, улучшения, вывод!

Стальной "кубик". Tough-steel. Часть 2.

Stratasys анонсировала цветной стоматологический 3D-принтер J720 Dental