Aerotex под ударом

Продолжение исследования свойств нового пластика Filamentarno! Aerotex. Особенности строения и состава филамента внимательно рассмотрены в предыдущей части - Aerotex под микроскопом. В этой части попробуем разобраться с некоторыми характеристиками влияющими на прочность конечной технической детали.

Сопромат, как введение в науку о прочности, жёсткости и надёжности элементов, конструкций, приборов и машин, относится к фундаментальным дисциплинам общеинженерной подготовки специалистов с высшим техническим образованием. Поэтому для инженеров вопрос выбора параметров печати (количество периметров, процент заполнения) не актуален, они это впитали с молоком alma-mater. А как быть тем, кто не изучал этот предмет или уже забыл? Понятно, что чем больше периметров, тем деталь крепче, так же понятно, что чем выше процент заполнения тем лучше для прочности. А что делать, если мы можем изменить только один параметр, то что лучше увеличить, количество периметров или процент заполнения? Ответ на этот простой вопрос я попытаюсь дать на основе изучения свойств пластика Aerotex.

AEROTEX - новый материал для 3D-печати беспилотников. Как можно охарактеризовать основные свойства дронов? Ответ приходит к нам из прошлого. Как пел ещё в 80-х Юрий Антонов вместе с группой 'Аракс' про дроны/квадрокоптеры:

Мы вместе с птицами в небо уносимся,

Мы вместе с звёздами камнями падаем вниз

Таким образом имеем две основные характеристики - вес (что птицей вознестись в небо) и стойкость к ударам (если камнем упал вниз). Что делать с весом понятно. А вот с падением камнем вниз есть проблема. Поэтому перейдем в систему отсчета связанную с дроном. В этом случае падение означает быстрое приближение камня к дрону и последующий удар с некоторой энергией. В таком виде задача выглядит просто, мы будем не дрон бросать на камни, а наоборот, камни на дрон. Учтем замечания к прошлому эксперименту (Мороз и камень). Сделаем все параметры падения камня контролируемыми. В итоге получилась вот такая установка. (большинство фото нужно открывать в большом размере, чтобы увидеть мелкие детали)Установка. Вес камня/молота 4.81 кг с учетом направляющих. Центральная шпилька ограничивает высоту поднятия молота в диапазоне 0-38 см (правое фото). На ней есть белая метка для измерения высоты подъёма камня. Чтобы тестовый образец не улетал он помещается в резиновую оправку ограничивающую горизонтальные перемещения.

Образцы. Напечатать дрон и потом его разбить, было бы самым правильным решением, но мы попробуем упростить себе задачу. Кубик? В (прошлом опыте при ударе не параллельном грани кубика последний уходил из под удара. Поэтому воспользуемся любимым модельным объектом физиков. Возьмем сферического кота в вакууме. Или коня? Мне, лично, кот нравится больше.Поэтому образец у нас будет сферическим. Пусть не котом и совсем не в вакууме. Даже не совсем сферическим, а полусферическим, для разнообразия. Печатать такой, кстати, удобнее. Готовим образцы: диаметр 2 см, высота 1 см. Пример 15% заполнения с 1 периметромПараметры слайсера. Сопло 0.6мм, Температура 250 С. Стол для первого слоя 105 С, последующие 70 С. Паттерн заполнения '3D Honeycomb'. Приведу толщину периметров, расчётную и измеренную (в скобках) 1 периметр - 0.6 (0.56) мм, 2 периметра - 1.2 (1.17) мм, 3 периметра - 1.8 (1.75) мм. Толщину измерял точечным микрометром.Печатается этим материалом легко. Главное держать хорошую скорость печати. Большая часть образцов. Обозначения маркировки: первая цифра - число периметров, вторая - процент заполнения.Зависимость веса образцов от количества периметров и процента заполнения.Из-за того что в слайсере стояла галочка 'Detect thin walls' слайсер для модели с 1 периметром в верхней части полусферы добавил дополнительного заполнения. С этим я связываю, что вес с одним периметром и двумя периметрами практически сравнялся. Зависимости получились линейными, как и следовало ожидать. Вес образца 3-40 и 3-50 почему-то получился практически одинаковым, но в основном эксперименте эти два образца не учувствовали, поэтому можно на этот факт внимание не обращать.

Протокол измерений

1) Для первого образца выбираем минимальную высоту подъема молота, бросаем.

2) Если образец уцелел увеличиваем высоту на 0.5 см

3) Образец разбился. Меняем образец, Уменьшаем высоту на 3 см. Повторяем пункт 2.

4) Все образцы одного размера разбиты. Усредняем результат по трем образцам, Переходим к следующему образцу.

Примерно так выглядят образцы сразу со стенда. Межслоевая спекаемость отличная. Основные разрывы идут как угодно, но не вдоль слоев.Первый разбитый образец 2-05. Ничем не примечателен, просто первый.Посмотрим внимательно на скол, как там наши углеродные волокна?На месте, родимые. Торчат по всей поверхности разлома.

Не все образцы удалось в конце концов разломать. После нескольких ударов образец деформируется. На фото - исходный (слева) и после серии ударов (справа)Измерения деформации полусферы в результате последовательной серии ударов с энергией 17.9 Дж каждый. Зеленая пунктирная линия внизу графика - предельная деформация, после которой все образцы разрушались. Соответствует примерно 10.5% от исходной высоты. Измерения прекращались если размер не менялся после серии из 5 ударов. Таким образом образцы с 40% заполнения разбить не удалось.Основной результат. Зависимости предельной ударной энергии приводящей к разрушению образца от количества периметров и процента заполнения.Что можно сказать из этой картинки? С одной стороны, все достаточно предсказуемо. Чем больше периметров, больше процент заполнения, тем выше прочность. Однако из картинки следует, что при заполнении больше 25% количество периметров не добавляет прочности детали.

Есть еще один интересный момент, ради которого и стоило затевать весь этот эксперимент. Поведение прочности для детали с 3 периметрами. При слабом заполнении (5%) прочность детали практически не отличается от прочности образцов с одним и двумя периметрами. В этом случае заполнение не влияет на прочность, и она практически целиком определяется количеством периметров. При небольшом увеличении процента заполнения прочность начинает очень быстро расти, по сравнению с образцами с одним и двумя периметрами. После достижения 10 % заполнения, рост прочности замедляется вплоть до 20%, после чего выравнивается с образцами с другим количеством периметров.

Скомбинируем эту информацию с данными о весе. Тут все тоже просто, но три слоя заметно выигрывают на малом проценте заполнения. При заполнении большем чем 25% все примерно равноценно.В общем, выше все уже сказано. При 25% и выше разницы нет, один, два или три периметра. При малых процентах заполнения с большим отрывом выигрывает 3 периметра. Можно даже сказать, что удельная прочность вес/энергия практически постоянна в диапазоне 9-30%.Конечно, это исследование можно было сделать практически на любом типе пластика, но мне было интересно попробовать именно этот. Было бы интересно сравнить поведение модели из этого же пластика без наполнителя, чтобы стало понятно насколько сильно влияет добавление упрочняющео волокна на изменение прочностных характеристик.

Выводы:

Выводы получились очевидные. При малом проценте заполнения решающую роль играет количество периметров, потом эта роль постепенно нивелируется и при заполнении более 25% становится уже неважно сколько периметров было использовано. Однако если хочется максимально облегчить деталь, то 3 периметра дают наибольший выигрыш в прочности при равном весе и рост этот зависит от числа периметров нелинейно. Филамент получился очень хорошим и прочным.

Дополнительные материалы:

Далее, фактически, дополнительные материалы. Картинки разломанных образцов, никакого анализа. Можно проматывать до комментариев или закрывать страницу.

2 периметра, 5% заполнения.2 периметра, 10% заполнения.2 периметра, 15% заполнения.2 периметра, 20% заполнения.2 периметра, 25% заполнения.2 периметра, 30% заполнения. На максимально возможной высоте разбить не удалось Переходим к следующей серии образцов - с 3 периметрами. Для этой серии было взято наибольшее количество различных процентов заполнения.

3 периметра, 10% заполнения.3 периметра, 20% заполнения.3 периметра, 30% заполнения.1 периметр, 10% заполнения.1 периметр, 20% заполнения.1 периметр, 30% заполнения.