Projekty a granty

Analýza chování Kompozitních 3D Vzorků Tištěných Technologií FFF/FDM při Namáhání Ohybem

SP2022/96

Obecný kontext Technologie 3D tisku je relativně nová (1980 – první pokus o podaní patentu [1]; autor Hideo Kodama), přesto již velice rozšířená v mnoha oborech. Používá se především pří vývoji prototypů. Lze ji použít u obtížně vyrobitelných objektů, a dokonce se používá v módním a designovém odvětví [2]. Tato technologie má v posledních letech využití i ve stavebnictví, kde lze se speciální betonovou směsí postavit malé obyvatelné objekty [3]. V mnoha případech má způsob provedení tisku velký vliv. Záleží na mnoha aspektech, které ovlivňují tisknutelnost (závisí na tvaru, velikosti a orientaci) a jeho únosnost v porovnání s dobou tisku a hmotností. Záměrem tohoto projektu je analyzovat chování 3D tištěných vzorků při 3-bodovém ohybu, které jsou vyrobeny technologií FFF (Fused Filament Fabrication) či jinak nazývanou FDM (Fused Deposition Modeling). Principem je tisk nataveného kontinuálního vlákna z termoplastického materiálu, které je nanášeno pomocí pohyblivé tiskové hlavy dle přednastavených souřadnicových příkazů. Veškerá nastavení a instrukce pro tiskárnu jsou připraveny v příslušném softwaru zařízení. V něm je vygenerován soubor gcode – nosič těchto informací. Z vlákna se vytvoří vrstva, na kterou je nanášena další vrstva. Průřez nosného prvku nelze považovat za homogenní, neboť mezi jednotlivými vlákny jsou mezery [9]. Z tohoto důvodu mají prvky anizotropní charakter – záleží na tom, zda je namáhání vedeno podél vláken, napříč nebo pod určitým úhlem [4-6]. Mechanické vlastnosti těchto prvků jsou dále ovlivněny materiálem, teplotou trysky a podložky (ovlivňuje i soudržnost vrstev), tloušťkou vrstvy, šířkou vlákna a rychlostí tisku. Velkou pozornost je potřeba věnovat vnitřní výplni sestávající z geometrického vzoru a procentuální míry vyplnění ve vymezeném prostoru [7]. Další zajímavou modifikací je vytvoření kompozitního prvku, který používá levný a méně kvalitní materiál v méně namáhaných částech průřezu, a v kritických místech je nahrazen pevnějším materiálem. Jedná se tedy o mnohem efektivnější a ekonomičtější variantu pro nosné prvky. Pokud by se pro výrobu použil recyklovaný materiál, může být tímto způsobem využit i odpadní plast. Poslední výzkumy se zaměřují na využití 3D tisku ve stavebnictví, kde mohou vytištěné plastové tvary sloužit jako ztracené bednění s přidanou estetickou funkcí [10]. Dalším slibným využitím je nahrazení ocelové výztuže v jednodušších železobetonových konstrukcích 3D plastovou formou, kde plast plní nejen funkci ztraceného bednění, ale také zvyšuje pevnost betonového prvku v ohybu [11]. - Záměr Cílem projektu je stanovení ohybových vlastností u vzorků, které jsou vyrobeny ze 2 materiálů, kde pevnější bude umístěn v nejvíce namáhaných místech. Budou vyrobeny a testovány vzorky podle normy ČSN EN ISO 178 (64 0607) - stanovení ohybových vlastností [8], a to vždy po 5ks na testování každé série. Zkušební tělesa budou mít rozměry v milimetrech: délka 80, šířka 25, výška 15. Zároveň budou vytvořeny numerické modely těchto těles, s dosazenými výsledky z měření – modul pružnosti při ohybu, mez pevnosti. - Budou provedeny tyto zkoušky: 1) Analýza mechanických vlastností vzorků tištěných materiálem PC Blend s různou orientací vláken. - 4 typy orientace vláken – podél s vlákny na ležato, podél s vlákny na stojato, napříč s vlákny na ležato, napříč s vlákny na stojato. - Parametry vzorků: plná přímočará výplň (podle orientace), tryska s průměrem 0,4 mm, výška vrstvy 0,2 mm, 1 perimetr - 5 vzorků v sadě pro každý směr vláken = celkem 20 vzorků 2) Využití již zkoumaného materiálu PETG (viz SGS 2021/83) pro vytvoření kompozitních vzorků - Vrstvy na krajních vláknech budou vytvořeny z PC blend a zbytek z PETG při podélné orientaci vlákna - Parametry vzorků: plná přímočará výplň (podle orientace), tryska s průměrem 0,4 mm, výška vrstvy 0,2 mm, 1 perimetr - Budou testovány 2 typy podle velikosti vrstev těchto materiálů = 20 vzorků 3) Po ověření technologie výroby (například kvůli velkému rozdílu teploty při natavení), bude vybrána jedna z těchto možností: - Výzkum možnosti nahrazení materiálu PETG za recyklovaný levný materiál (PLA) za účelem zvýšení ekonomické efektivity u vzorků se zesílením tažených vláken pomocí PC Blend. - Nahrazení PC Blend za F3 PA-CF Pro 15% Carbonfiber v kombinaci s PETG. Vzorky: - Celkem 60 vzorků + 5 % zmetků = 63 vzorků - Množství filamentu na jeden vzorek = cca 12,5 g - 65 vzorků x 12,5g = cca 815 g filamentu - Minimální potřebná doba tisku jednoho vzorku = cca 1h - 105 vzorků x 1h (cca v průměru) = cca minimálně 105 hodin Ze zkoušek v budou získány: - data o průběhu deformace a zatížení - během testů bude pozorován způsob deformování, porušení, či selhání vzorku. - z číselných dat bude vypočteno napětí na mezi pevnosti a modul pružnosti při ohybu. Výsledky práce budou sloužit jako podklad k dalšímu výzkumu optimalizace průřezových charakteristik, pro numerické modelování a optimalizaci tvaru (geometrických parametrů) konstrukcí (průřezové charakteristiky), které je tématem disertační práce hlavního řešitele. - LITERATURA [1] Kodama H Stereoscopic figure drawing device Japan JPS56144478A [2] JASMINKA, K. and Š. 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. 2018. vol. 69, iss. 3, pp. 190-196. ISSN 12225347. DOI: 10.35530/IT.069.03.1430. Available at: http://www.revistaindustriatextila.ro/images/2018/03/004_JASMINKA%20KONCIC_IndustriaTextila_03_2018.pdf [3] JI, G., T. DING, J. XIAO, S. DU, J. LI and Z. DUAN. A 3D Printed Ready-Mixed Concrete Power Distribution Substation: Materials and Construction Technology. Materials. 2019. vol. 12, iss. 9, ISSN 1996-1944. DOI: 10.3390/ma12091540. Available at: https://www.mdpi.com/1996-1944/12/9/1540 [4] RAVINDRABABU, S., Y. GOVDELI, Z. W. WONG and E. 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. 2018. vol. 34, pp. 659-666. ISSN 15266125. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.07.007. Available at: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1526612518308764 [5] WU, W., P. GENG, G. LI, D. ZHAO, H. ZHANG and J. 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. 2015. vol. 8, iss. 9, pp. 5834-5846. ISSN 1996-1944. DOI: 10.3390/ma8095271. Available at: http://www.mdpi.com/1996-1944/8/9/5271 [6] DIZON, J. R. C., A. H. ESPERA, Q. CHEN and R. C. ADVINCULA. Mechanical characterization of 3D-printed polymers. Additive Manufacturing. 2018. vol. 20, pp. 44-67. ISSN 22148604. DOI: 10.1016/j.addma.2017.12.002. Available at: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2214860417302749 [7] DUDESCU, C. and L. RACZ. Effects of Raster Orientation, Infill Rate and Infill Pattern on the Mechanical Properties of 3D Printed Materials. ACTA Universitatis Cibiniensis. 2017. vol. 69, iss. 1, pp. 23-30. ISSN 1583-7149. DOI: 10.1515/aucts-2017-0004. Available at: https://www.sciendo.com/article/10.1515/aucts-2017-0004 [8] ISO 178:2019. Plastics - Determination of flexural properties. Brusel: European Committee for Standardization, 2019. [9] GARZON-HERNANDEZ, S., D. GARCIA-GONZALEZ, A. JÉRUSALEM and A. ARIAS. Design of FDM 3D printed polymers: An experimental-modelling methodology for the prediction of mechanical properties. Materials & Design. 2020. vol. 188. ISSN 02641275. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.108414. Available at: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0264127519308524 [10] KATZER, Jacek a Aneta SKORATKO. Concept of Using 3D Printing for Production of Concrete–Plastic Columns with Unconventional Cross-Sections. Materials. 2021. vol. 14, iss. 6, ISSN 1996-1944. DOI: 10.3390/ma14061565. Available at: https://www.mdpi.com/1996-1944/14/6/1565 [11] SKORATKO, Aneta a Jacek KATZER. Harnessing 3D Printing of Plastics in Construction—Opportunities and Limitations. Materials. 2021. vol. 14, iss. 16, ISSN 1996-1944. DOI: 10.3390/ma14164547. Available at: https://www.mdpi.com/1996-1944/14/16/4547 - 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–duben – příprava rešerší, výroba a laboratorní testování materiálu PC Blend duben – příprava článku na konferenci Young Scientist 2022 duben-září – výroba kompozitních vzorků, testování vzorků v laboratoři září – příprava prezentace na konferenci Young Scientist 2022, zhodnocení postupů a dosavadních výsledků, dotisk případných potřebných vzorků říjen – aktivní účast na konferenci Young Scientist 2022 říjen–listopad – vyhodnocení, příprava publikace do časopisu 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 - vyhodnocování výsledků - příprava článku a prezentace na konferenci Young Scientist 2022 - příprava článku do Periodica Polytechnica Civil Engineering - projekt souvisí s tématem disertační práce (Optimalizace konstrukcí) Ing. Marek Kawulok (cca 7 h/týdně): - příprava numerických modelů a využití inverzní analýzy pro určení lomových vlastností materiálu - vyhodnocování výsledků z numerického modelování - podílení se na tvorbě článku Ing. David Bujdoš - obsluha laboratorního vybavení - testování vzorků, zpracování naměřených dat a grafů průběhu zkoušky - ROZPOČET – zdůvodnění jednotlivých položek Stipendia – 100 000 Kč 50 000 Kč – Ing. arch. David Juračka 30 000 Kč – Ing. Marek Kawulok 20 000 Kč – Ing. David Bujdoš - Materiálové náklady – 41 950 Kč - 2x přídavný modul MMU2S k 3D tiskárně Prusa i3MK3S+ pro tisk až 5 různých materiálů, tiskový materiál (filamenty), potřebný spotřební materiál k sestavení 2x boxu pro tiskárny dle návodu výrobce (https://josefprusa.cz/jak-si-snadno-a-levne-vyrobit-box-na-3d-tiskarnu/) pro zajištění vhodných teplotních podmínek pro materiály náchylné k deformaci při změně teploty, zakoupení spotřebního materiálu pro sestavení boxů pro skladování hydroskopický materiálů, přípravky potřebné k chemickému čištění tiskových ploch, nářadí k obsluze s horkou tryskou, náhradní díly 3D tiskárny - Služby - 11 400 Kč - 250 EUR (6 400 CZK) – vložné na konferenci Young Scientist 2022 - 5 000 Kč – kalibrace pro přístroje v laboratořích. - Cestovní náhrady – 10 000 Kč - cestovní náklady, ubytování, stravné a diety na konferenci Young Scientist 2022 Režijní náklady 10 % z celkové částky – 18 150 Kč

2022

2022

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Juračka David Ing. arch.