ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА
ISSN 1561-9184 (друкована версія), ISSN 2616-6380 (електронна версія)

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

УДК 539.3

Технічна механіка, 2021, 1, 92 - 100

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ АНАЛІЗ МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТАЛЕЙ РАКЕТ-НОСІЇВ, ВИГОТОВЛЕНИХ ЗА ДОПОМОГОЮ FDM АДИТИВНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2021.01.092

Деревянко І. І., Аврамов К. В., Успенський Б. В., Саленко О. Ф.

Деревянко І. І.
Державне підприємство «Конструкторське бюро «Південне» ім. М. К. Янгеля»,
Україна

Аврамов К. В.
Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного,
Україна

Успенський Б. В.
Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного,
Україна

Саленко О. Ф.
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»,
Україна

      Адитивні технології є надзвичайно перспективними для аерокосмічної техніки та літакобудування, оскільки вони дозволяють створювати легкі конструкції з заданими міцнісними характеристиками. Оскільки на сьогодні не існує таблиць механічних характеристик матеріалів, які отримано адитивними технологіями, кожний розрахунок повинен бути супроводжений експериментальним визначенням цих характеристик.
      Пропонується експериментальний підхід до визначення механічних характеристик деталей, які надруковано FDM технологіями. Показано, що деталі, які виготовлено FDM технологіями з полімерів, є ортотропними. Тому їхні пружні властивості описуються дев'ятьма константами: трьома модулями пружності, трьома модулями зсуву і трьома коефіцієнтами Пуассона. Для експериментального визначення цих констант друкується куб, з якого вирізають шість зразків. Три зразки паралельні ребрам куба, а ще три зразка вирізаються під кутом 45° до ребер куба. З кожного з таких зразків виготовляється по п'ять екземплярів, що дозволяє провести осереднення діаграм деформування після дослідження розтягування всіх зразків. Таким чином побудовано діаграми деформування для всіх компонентів тензора напружень. З цих діаграм визначено механічні характеристики. Для трьох типів зразків, що паралельні ребрам, обчислюються три модуля пружності і три коефіцієнта Пуассона. Три модуля зсуву визначаються для зразків, розташованих під кутом 45° до ребер куба. Для визначення описаних констант експериментально знаходяться діаграми деформування при розтягуванні зразків.
      Представлено технологію виготовлення зразків на 3D принтері FORTUS 900 MC фірми Stratasys. Визначаються механічні характеристики двох полімерів: ULTEM 9085 і PLA. Проводиться порівняльний аналіз механічних характеристик двох матеріалів. В результаті аналізу встановлено, що модулі пружності і модулі зсуву у полімера PLA вище, ніж у ULTEM 9085. Коефіцієнт Пуассона у PLA нижче, ніж у ULTEM 9085.
     

FDM технологія, ортотропний полімерний матеріал, механічні характеристики, 3Dпринтер

1. Matthews N. Additive metal technologies for aerospace sustainment. Aircraft Sustainment and Repair. R. Jones, A. A. Baker, Neil Matthews, V. K. Champagne (Eds.). Elseveir, 2018. P. 845–862. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100540-8.00015-7

2. Boparai K. S., Singh R. Advances in Fused Deposition Modeling. Reference Collection in Materials Science and Materials Engineering. Elseveier, 2017. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.04166-7

3. Byberg K. I., Gebisa A. W., Lemu H. G. Mechanical properties of ULTEM 9085 material processed by fused deposition modeling. Polymer Testing. 2018. Vol. 72. P. 335–347. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2018.10.040

4. Ahn S.-H., Montero M., Odell D., Roundy S., Wright P. K. Anisotropic material properties of fused deposition modeling ABS. Rapid Prototyping journal. 2002. Vol. 8, No. 4. P. 248–257. https://doi.org/10.1108/13552540210441166

5. Domingo-Espin M., Puigoriol-Forcada J. M., Garcia-Granada A.-A., Llumа J., Borros S., Reyes G. Mechanical property characterization and simulation of fused deposition modeling Polycarbonate parts. Materials & Design. 2015. Vol. 83. P. 670–677. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.06.074

6. Bellini A., Guceri S. Mechanical characterization of parts fabricated using fused deposition modelling. Rapid Prototyping Journal. 2003. Vol. 9, No. 4. P. 252–264. https://doi.org/10.1108/13552540310489631

7. Casavola C., Cazzato A., Moramarco V., Pappalettere C. Orthotropic mechanical properties of fused deposition modelling parts described by classical laminate theory. Materials and Design. 2016. Vol. 90. P. 453–458. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.11.009

8. Chen Y., Li T., Jia Z., Scarpa F., Yao C.-W., Wang L. 3D printed hierarchical honeycombs with shape integrity under large compressive deformations. Materials and Design. 2018. Vol. 137. P. 226–234. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.10.028

9. Parsons E. M. Lightweight cellular metal composites with zero and tunable thermal expansion enabled by ultrasonic additive manufacturing: Modeling, manufacturing, and testing. Composite Structures. 2019. Vol. 223. Article 110656. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.02.031

10. Gerisa A. W., Lenu H. G. Influence of 3D printing process parameters on tensile properties of ULTEM 9085. Procedia Manufacturing. 2019. Vol. 30. P. 331–338. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.02.047

11. Motaparti K. P., Taylor G., Leu M. C., Chandrashekhara K., Castle J., Matlack M. Effects of build parameters on compression properties for ULTEM 9085 parts by fused deposition modeling. Solid Freeform Fabrication. Proceedings of the 26th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium – An Additive Manufacturing Conference. 2016. P. 964–977.

12. Popescu D., Zapciu A., Amza C., Baciu F., Marinescu R. FDM process parameters influence over the mechanical properties of polymer specimens: A review. Polymer Testing. 2018. Vol. 69. P. 157–166. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2018.05.020

13. 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® 9085 Material. Additive manufacturing. 2017. Vol. 13. P. 71–80. https://doi.org/10.1016/j.addma.2016.11.007

14. Chamis C. C., Sinclair J. H. Ten-deg off – axis test for shear properties in fiber composites. Experimental Mechanics. 1977. No. 17. P. 339–346. https://doi.org/10.1007/BF02326320

15. ASTM D 3039. Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite. ASTM International. 2017. 13 p.

16. Pagano N. J., Halpin J. C. Influence of end constraint in the testing of anisotropic bodies. Journal of Composite Materials. 1968. Vol. 2, No. 1. P. 18–31. https://doi.org/10.1177/002199836800200102

17. Pierron F., Vautrin A. The 100 off-axis tensile test: a critical approach. Composites Science and Technology. 1996. Vol. 56. P. 483–488. https://doi.org/10.1016/0266-3538(96)00004-8

18. Pindera M. J., Herakovich C. T. Shear characterization of unidirectional composites with the off-axis test. Experimental mechanics. 1986. Vol. 26. P. 103–112. https://doi.org/10.1007/BF02319962

19. ASTM D3518. Standard Test Method for In-Plane Shear Response of Polymer Matrix Composite Materials by Tensile Test of a Laminate. ASTM International. 2018. 7 p.

20. ASTM D638-14. Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics. ASTM International. 2014. 17 p.

21. ASTM D695-15. Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics. ASTM International. 2015. 8 p.

22. ASTM D790-17. Flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials. ASTM International. 2017. 38 p.

23. Carlsson L. A., Kardomateas G. A. Characterization of the Mechanical Properties of Face Sheet and Core Materials. Book: Structural and Failure Mechanics of Sandwich Composites, Solid Mechanics and its Applications. Springer, 2011. P. 19–37, https://doi.org/10.1007/978-1-4020-3225-7_2

24. Avramov K. Bifurcations of parametric oscillations of beams with three equilibria. Acta Mechanica, 2003, Vol. 164. P. 115–138. https://doi.org/10.1007/s00707-003-0022-9

Copyright (©) 2021 Деревянко І. І., Аврамов К. В., Успенський Б. В., Саленко О. Ф.

Copyright © 2014-2021 Технічна механіка