Projekty a granty

Analýza chování 3D vzorků tištěných technologií FFF při namáhání ohybem

SP2021/83

PŘEDMĚT VÝZKUMU Technologie 3D tisku je relativně nová (1980 – první podaný patent), přesto velice rozšířená v mnoha oborech. Využití nachází například při tvorbě prototypů z plastů i kovů, což byl zároveň původní záměr. Slouží k vytištění jinak obtížně vyrobitelných prvků, a dokonce se používá v módním a designovém odvětví [12]. Zajímavé místo s praktickým využitím začíná zaujímat také tisk obyvatelných objektů z betonových směsí [13]. V těchto případech již má velký význam, jakým způsobem je tisk proveden, aby měl výsledný tvar a jeho výplně vyhovující mechanické vlastnosti. Záměrem předkládaného projektu je prozkoumat možnosti optimalizace 3D tištěných prvků vyrobených technologií FFF (Fused Filament Fabrication) nebo také jinak nazývanou FDM (Fused Deposition Modeling). Testováním a stanovením mechanických vlastností těchto materiálů se již zabývaly především samotní výrobci filamentů. Na ně navazují studie [1-13], které zkoumají různé modifikace tisku, které optimalizují průřezové charakteristiky za účelem zvýšení efektivity poměru množství materiálu k únosnosti výsledného prvku. Principem FFF je tisk kontinuálního vlákna z termoplastického materiálu, které je nanášeno strojově na předchozí vytištěné vlákno. Průřez nosného prvku nelze považovat za homogenní, neboť mezi jednotlivými vlákny jsou mezery. Díky tištěným vláknům mají výsledné prvky anizotropní charakter – jestli je namáhání vedeno podél vláken, napříč nebo pod určitým úhlem [4,9,10]. Únosnost samotných vláken dále ovlivňují materiálové vlastnosti, teplota tiskové hlavy a podložky (ovlivňuje i soudržnost vrstev), tloušťka vrstvy, šířka vlákna a rychlost tisku. Dalším důležitým aspektem je výplň tištěného prvku. Zde záleží na druhu geometrie vzoru, která je použita, a procentuálním vyplnění uvnitř prvku. Některé práce se tímto tématem už také zabývaly [1-3,6,8,11], ale použily jen pár druhů těchto vzorů. Kromě samotné výplně a vlastností vláken hraje zároveň roli tloušťka vnějších stěn. Články, které studují toto téma, se zabývají většinou jen dílčími kritérii, a ne všechny vztahy napříč těmito vlastnostmi nebo více možností jednoho kritéria byly zkoumány. Ve většině výzkumů jsou tyto vlastnosti testovány jen pro stanovení tahových vlastností prvku. Cílem projektu je stanovení ohybové vlastnosti vzorků, které budou kombinovat nejrelevantnější kombinace dílčích vlastností. Budou vyrobeny a testovány vzorky podle normy ČSN EN ISO 178 (64 0607) - stanovení ohybových vlastností, a to vždy po 5ks na testování každé série. Zkušební tělesa budou mít rozměry v milimetrech: délka 80, šířka 15, výška 10. Zároveň budou vytvořeny numerické modely těchto těles, jejichž hodnoty budou s výsledky zátěžových testů porovnány. Budou provedeny tyto zkoušky: 1) Vliv rozměrů tištěné vrstvy v kombinaci se směrem vláken Parametry vzorků: - Plná výplň - Rozměr tištěné vrstvy - 3 nastavení šířka x výška - 0,25x0,15; 0,4x0,2; 0,6x0,3) - Úhel směru tištěných vláken - 3 nastavení (0°, 45°, 90°) 5 vzorků pro každý parametr v kombinaci s dalšími = 45 vzorků 2) Vliv typu výplně v kombinaci s procentuálním vyplněním vzorku Parametry vzorků: -Jednotná tloušťka vrstvy -Jednotná tloušťka stěny -Podélný směr tištěných vláken – týká se vnějších stěn -Druh vzoru vnitřní výplně - 3 nastavení - Procentuální hustota vzoru vnitřní výplně - 3 nastavení (25%, 50%, 75%) 5 vzorků pro každý parametr v kombinaci s dalšími = 45 vzorků Konstantní parametry: - Materiál – PLA (polylactic acid = polymléčná kyselina) - Teplota tiskové hlavy, teplota podložky, rychlost tisku – nastavení doporučené výrobcem Vzorky: - Celkem 90 vzorků + 15% zmetků = 105 vzorků - Množství filamentu na jeden vzorek = cca 4g - 105 vzorků x 4g = cca 420g filamentu - Minimální potřebná doba tisku jednoho vzorku = cca 1h - 105 vzorků x 1h (cca v průměru) = cca minimálně 105 hodin Vzorky budou vždy zváženy a hodnoty budou porovnány s výsledky měření pevnosti v ohybu. Dalším dílčím výsledkem bude porovnání mezi množstvím použitého filamentu s dobou tisku a únosností vzorku testované série. Výsledné hodnoty budou použity při výpočtu (citování normy): napětí v ohybu, deformace ohybem a modul pružnosti v ohybu. Zároveň budou vytvořeny numerické modely těchto těles, jejichž hodnoty budou s výsledky zátěžových testů porovnány. Výsledky práce budou sloužit jako podklad k dalšímu výzkumu optimalizace průřezových charakteristik, pro numerické modelování a optimalizaci tvaru (geometrických parametrů) konstrukcí (průřezové charakteristiky, tvar střednice), které je tématem disertační práce hlavního řešitele. Literatura [1] DUDESCU, Cristian a Laszlo RACZ. Effects of Raster Orientation, Infill Rate and Infill Pattern on the Mechanical Properties of 3D Printed Materials. ACTA Universitatis Cibiniensis [online]. 2017, 69(1), 23-30 [cit. 2020-12-10]. ISSN 1583-7149. Dostupné z: doi:10.1515/aucts-2017-0004 [2] KHAN, S.F., H. ZAKARIA, Y.L. CHONG, M. A. M. SAAD a K. BASARUDDIN. Effect of infill on tensile and flexural strength of 3D printed PLA parts. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering [online]. 2018, 429 [cit. 2020-12-10]. ISSN 1757-899X. Dostupné z: doi:10.1088/1757-899X/429/1/012101 [3] RISMALIA, M, S C HIDAJAT, I G R PERMANA, B HADISUJOTO, M MUSLIMIN a F TRIAWAN. Infill pattern and density effects on the tensile properties of 3D printed PLA material. Journal of Physics: Conference Series [online]. 2019, 1402 [cit. 2020-12-10]. ISSN 1742-6588. Dostupné z: doi:10.1088/1742-6596/1402/4/044041 [4] RAVINDRABABU, Suraj, Yunus GOVDELI, Zhuo Wei WONG a Erdal KAYACAN. Evaluation of the influence of build and print orientations of unmanned aerial vehicle parts fabricated using fused deposition modeling process. Journal of Manufacturing Processes [online]. 2018, 34, 659-666 [cit. 2020-12-10]. ISSN 15266125. Dostupné z: doi:10.1016/j.jmapro.2018.07.007 [5] WANG, Peng, Bin ZOU, Hongchuan XIAO, Shouling DING a Chuanzhen HUANG. Effects of printing parameters of fused deposition modeling on mechanical properties, surface quality, and microstructure of PEEK. Journal of Materials Processing Technology [online]. 2019, 271, 62-74 [cit. 2020-12-10]. ISSN 09240136. Dostupné z: doi:10.1016/j.jmatprotec.2019.03.016 [6] ÁLVAREZ, Kenny, Rodrigo F. LAGOS a Miguel AIZPUN. Investigating the influence of infill percentage on the mechanical properties of fused deposition modelled ABS parts. Ingeniería e Investigación [online]. 2016, 36(3), 110-116 [cit. 2020-12-10]. ISSN 2248-8723. Dostupné z: doi:10.15446/ing.investig.v36n3.56610 [7] PROVAGGI, Elena, Claudio CAPELLI, Benyamin RAHMANI, Gaetano BURRIESCI a Deepak M. KALASKAR. 3D printing assisted finite element analysis for optimising the manufacturing parameters of a lumbar fusion cage. Materials & Design [online]. 2019, 163 [cit. 2020-12-10]. ISSN 02641275. Dostupné z: doi:10.1016/j.matdes.2018.107540 [8] SUTEJA, T J a A SOESANTI. Mechanical Properties of 3D Printed Polylactic Acid Product for Various Infill Design Parameters: A Review. Journal of Physics: Conference Series [online]. 2020, 1569 [cit. 2020-12-10]. ISSN 1742-6588. Dostupné z: doi:10.1088/1742-6596/1569/4/042010 [9] WU, Wenzheng, Peng GENG, Guiwei LI, Di ZHAO, Haibo ZHANG a Ji ZHAO. Influence of Layer Thickness and Raster Angle on the Mechanical Properties of 3D-Printed PEEK and a Comparative Mechanical Study between PEEK and ABS. Materials [online]. 2015, 8(9), 5834-5846 [cit. 2020-12-10]. ISSN 1996-1944. Dostupné z: doi:10.3390/ma8095271 [10] DIZON, John Ryan C., Alejandro H. ESPERA, Qiyi CHEN a Rigoberto C. ADVINCULA. Mechanical characterization of 3D-printed polymers. Additive Manufacturing [online]. 2018, 20, 44-67 [cit. 2020-12-10]. ISSN 22148604. Dostupné z: doi:10.1016/j.addma.2017.12.002 [11] Yarwindran, M., Azwani Sa'aban, N., Ibrahim, M., & Periyasamy, R.. Thermoplastic elastomer infill pattern impact on mechanical properties 3D printed customized orthotic insole. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 11(10), 6519-6524. 2016 [cit. 2020-12-10]. Dostupné z: www.scopus.com [12] JASMINKA, KONČIĆ a ŠČAPEC JOSIPA. 3D print additive technology as a form of textile material substitute in clothing design – interdisciplinary approach in designing corsets and fashion accessories. Industria Textila [online]. 2018, 69(03), 190-196 [cit. 2020-12-19]. ISSN 12225347. Dostupné z: doi:10.35530/IT.069.03.1430 [13] JI, Guangchao, Tao DING, Jianzhuang XIAO, Shupeng DU, Jun LI a Zhenhua DUAN. A 3D Printed Ready-Mixed Concrete Power Distribution Substation: Materials and Construction Technology. Materials [online]. 2019, 12(9) [cit. 2020-12-19]. ISSN 1996-1944. Dostupné z: doi:10.3390/ma12091540 PŘEHLED POUŽITÝCH METOD - ČSN EN ISO 20753 (64 0226) – Plasty – Zkušební tělesa - ČSN EN ISO 16012 (64 0228) – Plasty – Stanovení lineárních rozměrů zkušebních těles - ČSN EN ISO 5725-1 (01 0251) Přesnost (pravdivost a preciznost) metod a výsledků měření – část 1: Obecné zásady a definice - ČSN EN ISO 178 (64 0607) – Plasty – Stanovení ohybových vlastností HARMONOGRAM PRACÍ: leden–únor – rešerše, příprava 3D tiskárny a hlubší seznámení se zařízením únor–březen– modelování testovacích vzorků pro tisk na 3D tiskárně duben – tisk vzorků na 3D tiskárně duben-červen – příprava laboratorních zkoušek a testování vzorků v laboratoři červen-srpen – vyhodnocení výsledků měření, příprava příspěvku na konferenci ICNAAM 2021, příprava nových vzorků září– ICNAAM 2021 - aktivní účast na konferenci v termínu 20.-26. září září–říjen – testování vzorků s měřením průběhu teplot a sken říjen–listopad – vyhodnocení, příprava článku do TCES a PERIODICA POLYTECHNICA CIVIL ENGINEERING ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ Ing. arch. David Juračka (cca 12 h/týdně): - koordinace a vyhodnocení měření mechanických vlastností - příprava testovacích vzorků - příprava článku na konferenci ICNAAM 2021 - příprava článků do TCES a PERIODICA POLYTECHNICA CIVIL ENGINEERING - projekt souvisí s tématem disertační práce (Optimalizace konstrukcí) Ing. Marek Kawulok - příprava numerických modelů k porovnání - vyhodnocování výsledků a porovnání - podílení se na tvorbě článků Ing. David Bujdoš - obsluha laboratorního vybavení - 145 vzorků – cca 10 minut na jeden vzorek + 20% rezerva= cca 30 hodin - 200kč/1h = 6 000 Kč ROZPOČET – zdůvodnění jednotlivých položek Stipendia – 95 000 Kč 60 000 Kč – Ing. arch. David Juračka 25 000 Kč – Ing. Marek Kawulok 10 000 Kč – Ing. David Bujdoš - 105 vzorků – cca 20 minut na jeden vzorek + 20% rezerva= cca 42 hodin - 200kč/1h = min. 8 400 kč + rezerva pro opakování nezdařených testů Materiálové náklady – 29 750 Kč - nákup 3D tiskárny - 20 000 kč - Tiskový materiál (filamenty), přípravky potřebné k chemickému čištění tiskových ploch, trysky různého průměru a další příslušenství 3D tiskárny Služby - 19 200 Kč - 320 EUR (8 200 CZK) – vložné na konferenci ICNAAM 2021 (Juračka) - 1 000 Kč – kalibrace pro přístroje v laboratořích. - 3x 3500 Kč – překlad článků Cestovní náhrady – 23 000 Kč - cestovní náklady, ubytování, stravné a diety na ICNAAM 2021 (Juračka) Režijní náklady 10% z celkové částky – 18 550 Kč

2021

2021

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Juračka David Ing. arch.