Preview

Frontier Materials & Technologies

Расширенный поиск

Аддитивное производство изделий с пространственным армированием непрерывным волокном

https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-2-92-104

Полный текст:

Аннотация

Одной из ключевых задач в аддитивном производстве изделий из пластика по технологии послойного наплавления материала (Fused Filament Fabrication, FFF) является обеспечение их прочности. Малая прочность самих полимерных материалов и ярко выраженная анизотропия их механических свойств ограничивают применение объемной печати как альтернативы традиционным технологиям мелкосерийного производства. Самым перспективным решением задачи повышения прочности печатных изделий остается применение армирования непрерывным волокном. Известен ряд установок для аддитивного производства и программных продуктов, позволяющих подготовить управляющую программу для объемной печати с армированием, однако при всех достоинствах им, так же как и обычным печатным изделиям, присущ большой разброс прочности в различных направлениях (в плоскости слоя и перпендикулярно ему, в направлении выращивания). Сгладить анизотропию свойств изделий в технологии FFF и обеспечить им более широкие возможности применения в производстве конечных изделий в настоящей работе предлагается за счет армирования непрерывным волокном по пространственным траекториям. В ходе работы 3D-принтер с возможностью печати с применением пяти степеней свободы и программное обеспечение по подготовке управляющих программ модернизированы под процесс печати с укладкой непрерывного волокна, выработаны режимы печати с армированием, изготовлены образцы для стандартных испытаний на статический изгиб. Установлено, что армирование повышает прочность печатного образца, при этом предложенный способ объемного армирования обеспечивает меньшую прочность на изгиб по сравнению со стандартным плоским армированием с однонаправленной укладкой волокон, однако разрушение объемно армированных образцов происходило без ярко выраженного расслоения. 

Об авторах

Иван Сергеевич Торубаров
Волгоградский государственный технический университет, Волгоград
Россия

аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов»



Алексей Владимирович Дроботов
Волгоградский государственный технический университет, Волгоград
Россия

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизация производственных процессов»



Илья Александрович Гущин
Волгоградский государственный технический университет, Волгоград
Россия

аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов»



Денис Сергеевич Вдовин
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет), Москва
Россия

кандидат технических наук, доцент кафедры «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы»



Александр Леонтьевич Плотников
Волгоградский государственный технический университет, Волгоград
Россия

доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов»



Алексей Андреевич Яковлев
Волгоградский государственный технический университет, Волгоград
Россия

доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов»



Список литературы

1. Avdeev A., Shvets A., Gushchin I., Torubarov I., Drobotov A., Makarov A., Plotnikov A., Serdobintsev Y. Strength Increasing Additive Manufacturing Fused Filament Fabrication Technology, Based on Spiral Toolpath Material Deposition // Machines. 2019. Vol. 7. № 3. Article number 57. DOI: 10.3390/machines7030057.

2. Goh G.D., Yap Y.L., Agarwala S., Yeong W.Y. Recent progress in Additive Manufacturing of Fiber Reinforced Polymer Composite // Advanced Materials Technologies. 2018. Vol. 4. № 1. Article number 1800271. DOI: 10.1002/admt.201800271.

3. Zohdi N., Yang R.C. Material Anisotropy in Additively Manufactured Polymers and Polymer Composites: A Review // Polymers. 2021. Vol. 13. № 19. Article number 3368. DOI: 10.3390/polym13193368.

4. Somireddy M., Czekanski A. Anisotropic material behavior of 3D printed composite structures – Material extrusion additive manufacturing // Materials and Design. 2020. Vol. 195. Article number 108953. DOI: 10.1016/j.matdes.2020.108953.

5. Dul S., Fambri L., Pegoretti A. High-Performance Polyamide/Carbon Fiber Composites for Fused Filament Fabrication: Mechanical and Functional Performances // Journal of Materials Engineering and Performance. 2021. Vol. 30. № 7. P. 5066–5085. DOI: 10.1007/s11665-021-05635-1.

6. Padovano E., Galfione M., Concialdi P., Lucco G., Badini C. Mechanical and Thermal Behavior of Ultem® 9085 Fabricated by Fused-Deposition Modeling // Applied Science (Switzerland). 2020. Vol. 10. № 9. Article number 3170. DOI: 10.3390/app10093170.

7. Zaldivar R.J., Witkin D.B., McLouth T., Patel D.N., Schmitt K., Nokes J.P. Influence of processing and orientation print effects on the mechanical and thermal behavior of 3D-Printed ULTEM Material // Additive Manufacturing. 2017. Vol. 13. P. 71–80. DOI: 10.1016/j.addma.2016.11.007.

8. Zanjanijam A.R., Major I., Lyons J.G., Lafont U., Devine D.M. Fused Filament Fabrication of PEEK: A Review of Process-Structure-Property Relationships // Polymers. 2020. Vol. 12. № 8. Article number 1665. DOI: 10.3390/polym12081665.

9. Rodzen K., Harkin-Jones E., Wegrzyn M., Sharma P.K., Zhigunov A. Improvement of the layer-layer adhesion in FFF 3D printed PEEK/carbon fibre composites // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2021. Vol. 149. Article number 106532. DOI: 10.1016/j.compositesa.2021.106532.

10. Торубаров И.С., Дроботов А.В., Плотников А.Л., Гущин И.А. Развитие технологии 3D печати с армированием непрерывным волокном // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2021. № 8. C. 81–86. DOI: 10.35211/1990-5297-2021-8-255-81-86.

11. Yao Y., Zhang Y., Aburaia M., Lackner M. 3D Printing of Objects with Continuous Spatial Paths by a Multi-Axis Robotic FFF Platform // Applied Science (Switzerland). 2021. Vol. 11. № 11. Article number 4825. DOI: 10.3390/app11114825.

12. Safari F., Kami A., Abedini V. 3D printing of Continuous Fiber Reinforced Composites: A Review of the Processing, Pre- and Post-Processing Effects on Mechanical Properties // Polymers and Polymer Composites. 2022. Vol. 30. P. 1–26. DOI: 10.1177/09673911221098734.

13. Hu C., Sun Z., Xiao Y., Qin Q. Recent Patents in Additive Manufacturing of Continuous Fiber Reinforced Composites // Recent Patents on Mechanical Engineering. 2019. Vol. 12. № 1. P. 25–36. DOI: 10.2174/2212797612666190117131659.

14. González-Estrada O.A., Pertuz A., Quiroga J. Evaluation of Tensile Properties and Damage of Continuous Fibre Reinforced 3D-Printed Parts // Key Engineering Materials. 2018. Vol. 774 KEM. P. 161–166. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.774.161.

15. Lupone F., Padovano E., Venezia C., Badini C. Experimental Characterization and Modeling of 3D Printed Continuous Carbon Fibers Composites with Different Fiber Orientation Produced by FFF Process // Polymers. 2022. Vol. 14. № 3. Article number 426. DOI: 10.3390/polym14030426.

16. Zhang D., Rudolph N., Woytowitz P. Reliable Optimized Structures with High Performance Continuous Fiber Thermoplastic Composites From Additive Manufacturing (AM) // International SAMPE Technical Conference. 2019. Vol. 2019-May. Article number 148951. DOI: 10.33599/nasampe/s.19.1396.

17. Гусев Ю.А., Борщев А.В., Хрульков А.В. Особенности препрегов для автоматизированной выкладки методами ATL и AFP // Труды ВИАМ. 2015. № 3. С. 38–44.

18. Пушкарев В.В., Дроботов А.В. Компоновка устройств для объемной печати экструдируемым расплавом деталей сложной формы // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2013. № 20. C. 121–123.

19. Zhang K., Zhang W., Ding X. Multi-axis additive manufacturing process for continuous fibre reinforced composite parts // Procedia CIRP. 2019. Vol. 85. P. 113–117. DOI: 10.1016/j.procir.2019.09.022.

20. Fang G., Zhang T., Zhong S., Chen X., Zhong Z., Wang C.C.L. Reinforced FDM: multi-axis filament alignment with controlled anisotropic strength // ACM Transaction on Graphics. 2020. Vol. 39. № 6. Article number 204. DOI: 10.1145/3414685.3417834.

21. Zhang X., Fan W., Liu T. Fused deposition modeling 3D printing of polyamide-based composites and its applications // Composites Communications. 2020. Vol. 21. Article number 100413. DOI: 10.1016/j.coco.2020.100413.


Рецензия

Для цитирования:


Торубаров И.С., Дроботов А.В., Гущин И.А., Вдовин Д.С., Плотников А.Л., Яковлев А.А. Аддитивное производство изделий с пространственным армированием непрерывным волокном. Frontier Materials & Technologies. 2022;(2):92-104. https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-2-92-104

For citation:


Torubarov I.S., Drobotov A.V., Gushchin I.A., Vdovin D.S., Plotnikov A.L., Yakovlev A.A. Additive manufacturing of parts with three-dimensional continuous fiber reinforcement. Frontier Materials & Technologies. 2022;(2):92-104. (In Russ.) https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-2-92-104

Просмотров: 52


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2782-4039 (Print)
ISSN 2782-6074 (Online)