PETG не держит вибрации? Разбираемся так ли это.

Приветствую всех! В течение последних трех месяцев сразу три блогера на Youtube выпустили видео о прочности PETG при циклических или вибрационных нагрузках.

При этом они продемонстрировали противоположные друг другу результаты. Вот ссылки на эти видео в хронологическом порядке:

Первым высказался Prozhektor8kvt.

Затем ему ответил SIBMAKER

А потом высказался FabLab Moscow

Меня эта тема заинтересовала и я решил также сделать видео по этой теме. Если формат видео Вам удобнее, то вот:

Я не буду поддерживать или опровергать кого-то из выше названных блогеров. Когда я начал разбираться в этой теме, все оказалось очень неоднозначным и частично все три блогера могут быть правы, не смотря на противоположные результаты.

Ниже я приведу все данные, которые я смог найти по вопросу усталостной прочности пластиков PETG, PLA и ABS. Все данные брались исключительно из научной литературы.

Научных работ посвященных изучению усталостной прочности образцов из PETG-пластика, изготовленных методом FDM-технологии не так много. Мне удалось найти всего две работы [1] и [2]. Обе они довольно свежие – 2019 и 2021 годов. Ни в одной из них не проводится сравнение с каким-либо другим пластиком, поэтому мне пришлось дополнительно искать научные работы, посвященные изучению пластиков ABS и PLA. С ними ситуация намного лучше – для них удалось найти приличное количество работ, изучающих усталостную прочность напечатанных методом FDM образцов.

Были отобраны работы с одинаковыми видами испытаний – циклическое растяжение-сжатие с близкими коэффициентами асимметрии цикла. Для PLA-пластика это работы [3] – [5], а для ABS-пластика – работы [6] – [8].

Что такое график усталостной прочности?

Если Вы уже знакомы с графиками усталостной прочности, то сразу переходите к разделу «Результаты», если нет, то рекомендую прочесть этот раздел.

Целью усталостных испытаний любого материала является получение графика усталостной прочности (еще его называют диаграммой Вёллера, или в англоязычной литературе S-N curve). Для ее построения изготавливается несколько одинаковых образцов, затем определяется предел прочности на одном или двух образцах. Величина предела прочности необходима для задания циклических нагрузок, так как они задаются в процентах от предела прочности.

К примеру, мы изготовили пять образов. Один из них испытали и определили предел прочности, а оставшиеся четыре образца подвергли циклическому нагружению усилиями, равными 80%, 70%, 60% и 40% от предела прочности. Каждый образец доводим до разрушения. Допустим, мы получили, что образцы соответственно выдержали 95, 250, 840 и 2300 циклов нагружения. Зная это, мы можем построить вот такой график:

Обратите внимание, что количество циклов откладывается по логарифмической шкале – это необходимо для того, чтобы на одном графике можно было наглядно показать результаты, отличающиеся на порядки.

Как используют эти графики? Возьмем для примера какой-нибудь кронштейн, который в своей работе испытывает циклические нагрузки. Сперва рассчитываем максимальные напряжения, которые будут действовать в нем. Зная эти напряжения, по графику усталостной прочности определяем количество циклов, которое соответствует этим напряжениям. Это количество циклов будет показывать ресурс нашего кронштейна.

Результаты

Во всех научных работах испытывались стандартные образцы лопатки по ASTM D638. Испытаниям подвергались образцы напечатанные по технологии FDM с тремя видами укладки филамента:

Думаю, для многих будет интереснее всего третий вид укладки, так как он соответствует стандартному способу печати большинства FDM 3D-принтеров.

Вот сравнительные результаты испытаний для пластиков PETG, PLA и ABS при ориентации 0 градусов:

В скобочках приведена фамилия первого автора научной статьи, из которой взяты данные. На этом и всех последующих графиках толстой линией с ромбами обозначен PETG, тонкая пунктирная линия с квадратами – это ABS, а тонкая сплошная линия с кружочками – это PLA.

Как видим, для такого способа укладки филамента лидером по усталостной прочности оказался PETG, второе место занял ABS, а на третьем месте PLA.

А вот результаты испытаний для пластиков PETG, PLA и ABS при ориентации 90 градусов:

Видим, что расстановка лидеров не поменялась. Снова победитель PETG.

Посмотрим результаты испытаний для пластиков PETG, PLA и ABS при традиционной ориентации +45/-45 градусов:

Сюрприза не получилось, лидер по-прежнему PETG, а аутсайдер – это PLA.

Но есть одно «Но»…

После таких результатов вы, наверняка, скажете, но как же так? Всем же известно, что PETG при циклических нагрузках со временем покрывается трещинами или вообще лопается, а вот с ABS такого нет. Почему лидером оказался PETG? Да, действительно он покрывается трещинами, вот даже пример фотографии уже испытанных образцов из PETG из работы [2]:

Как видим, образцы покрываются трещинами.

Дальше я выскажу свое предположение, почему PETG-пластик так себя ведет и почему ABS-пластик не покрывается трещинами. Возможная причина разницы может быть в таких характеристиках как ударная вязкость и относительное удлинение. Вот сравнительная таблица с этими характеристиками для трех рассматриваемых сегодня пластиков:

Что нам показывают эти две величины? Ударная вязкость показывает способность материала поглощать энергию ударных нагрузок, а относительное удлинение является мерой хрупкости-пластичности материала. Четких границ хрупкости и пластичности нет. Обычно (для металлов) считают, что если относительное удлинение меньше 5 %, то материал хрупкий, если выше 10%, то материал пластичный.

Если сравнить величины для PETG и для ABS, то получается, что PETG-пластик намного более хрупкий (именно из-за этого появляются трещины), да и энергию ударных нагрузок не так хорошо поглощает. А из-за большой пластичности ABS-пластик не трескается, а только пластически деформируется (всем известное беление этого пластика при деформации).

Получается, что на циклические нагрузки эти два пластика реагируют по-разному. PETG начинает трескаться, а ABS пластически деформируется. При этом появление трещин на PETG еще не означает его разрушение и сход с испытаний – полного разрушения образца еще не происходит и только при накоплении критического количества трещин он разрушится.

Но если предполагается, что циклические нагрузки носят скорее ударный характер, то здесь PETG однозначно проиграет из-за более низкой ударной вязкости.

Заключение

Получается неоднозначная картина. С одной стороны по усталостной прочности PETG-пластик превосходит ABS, но с другой стороны он хуже сопротивляется ударным нагрузкам и является более хрупким.

На практике такая неоднозначность в свойствах этих материалов заставляет точно определять характер нагрузок. В реальных нагрузках нет четких границ между статическими и динамическими нагрузками, между вибрациями и ударами. Как правило, это сложный комплекс всех нагрузок сразу. Именно поэтому окончательные выводы каждый сделает для себя сам.

На этом пока все.

Источники:

1. Dolzyk G., Jung S. Tensile and Fatigue Analysis of 3D-Printed Polyethylene Terephthalate Glycol. Journal of Failure Analysis and Prevention. 2019.

2. Kim H.S., Huang S. S-N Curve Characterisation for Composite Materials and Prediction of Remaining Fatigue Life Using Damage Function. J. Compos. Sci. 2021, 5, 76.

3. Letcher T., Waytashek M. Material Property Testing of 3D-Printed Specimen in PLA on an Entry-Level 3D Printer. Advanced Manufacturing. Volume 2A. 2014.

4. Afrose M. F., Masood S. H., Iovenitti P., Nikzad M., Sbarski, I. Effects of part build orientations on fatigue behaviour of FDM-processed PLA material. Progress in Additive Manufacturing, V.1(1-2), 2015. p.21–28.

5. Ezeh O. H., Susmel L. Fatigue strength of additively manufactured polylactide (PLA): effect of raster angle and non-zero mean stresses. International Journal of Fatigue, V.126, 2019. p.319–326.

6. Ziemian C. W., Ziemian R. D., Haile, K. V. Characterization of stiffness degradation caused by fatigue damage of additive manufactured parts. Materials & Design, V.109, 2016. p.209–218.

7. Padzi M. M., Bazin M. M., Muhamad, W. M. W. Fatigue Characteristics of 3D Printed Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS). IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017.

8. Lee J., Huang A. Fatigue analysis of FDM materials. Rapid Prototyping Journal, V.19(4), 2013. p.291–299.