Экспериментальное определение и сравнительный анализ характеристик прочности полимеров PPH030GP, ABS и PLA при различных скоростях деформации

Сегодня область применения изделий из полимерных материалов постоянно увеличивается. Такие изделия находят широкое применение в наиболее наукоемких отраслях, таких как автомобильная, аэрокосмическая и медицинская отрасли. Современные тенденции развития автомобильной промышленности прогнозируют к 2020 году 75 % общей массы автомобиля заменить полимерными материалами. Схожие тренды демонстрируют и другие отрасли. В связи с этим инженерным компаниям, проектирующим детали автомобильной промышленности, для прогнозирования их работоспособности необходимо иметь характеристики полимерных материалов во всем диапазоне деформаций – вплоть до разрушения. Однако прочностные характеристики изделий из полимеров различны и зависят не только от марки полимера, но и от технологии производства детали. Подробная информация в отечественной литературе встречается достаточно редко и в сжатом виде. Авторами статьи была поставлена задача определить и проанализировать механические характеристики широко применяемого полимера PPH030GP, полученного экструзивным методом, и полимеров ABS и PLA, применяемых при изготовлении образцов аддитивным методом (3D-печать) в зависимости от скорости деформации. Для этого были выполнены образцы согласно требованиям ГОСТ 11262–80 и подвергнуты одноосному растяжению на разрывной машине UIT STM 050/300 при разных скоростях раздвижения зажимов. По результатам экспериментальных исследований получены диаграммы растяжения в условных координатах s–e вплоть до момента разрушения для различных скоростей раздвижения зажимов. Показано, что при аддитивном методе значительное влияние на прочность изделия оказывают направление слоев и адгезия между ними, которая зависит от параметров 3D-печати. Параметры печати указаны в зависимости от выбранного режима и конструкции 3D-принтера. В результате обработки данных в достаточно полной мере определены прочностные характеристики полимеров PPH030GP, ABS и PLA в зависимости от направления слоев печати и скорости деформации. Эти данные можно применять для расчета прочности изделий численным методом и методом конечных элементов в различных программных продуктах.

1. Kirik G. V., Salyuk A. A., Matvienko I. V. (2010) Prospects for the Application of Polymeric Materials in Machine Building. Kompressornoe i energeticheskoe mashinostroenie [Compressor and power engineering], (5) (in Russian).

2. National Internet-Portal of the Republic of Belarus [Electronic resource]. Nat. Center of Legal Information. Rep. Belarus. Minsk, 2015. Mode of access: https://mplast.by. Date of access: Feb. 25, 2018.

3. Kostin A. (2015) Automotive as Driver of Demand for Plastics. Plastiks = Plastics, (6), 36–42 (in Russian).

4. Birger I. A., Mavlyutov R. R. (1986) Resistance of Materials. Moscow, Nauka Publ. 560 (in Russian).

5. Štrumberger N., Gospočić A., Hvu M, Bartulić Č. (2005) Polymeric materials in automobiles. Promet-Traffic & Transportation, 17 (3), 149-160.

6. Bertenev G. M. (1984) Strength and Mechanism of Polymer Destruction. Moscow, Khimiya Publ. 280 (in Russian).

7. Askadsky A. A. (1973) Deformation of Polymers. Moscow, Khimiya Publ. 448 (in Russian).

8. Bokshitsky M. N. (1978) Long-Term Strength of Polymers. Moscow, Khimiya Publ. 308 (in Russian).

9. Pertov V. M., Bezpalchuk S. N., Yakovlev S. P. (2017) On the Influence of the Structure on the Strength of Articles Made of Plastics Produced by the 3D-Printing Method. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 9 (4), 765–776 (in Russian). https://doi.org/10.21821/2309-5180-2017-9-4-765-776

10. Zhukovskii E. S., Spiglazov A. V. (2017) Indices of Physical and Mechanical Properties of ABS Plastic in Articles Depending on the Parameters of FDM Printing. 68-ya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya uchashchikhsya, studentov i magistrantov, 17-22 aprelya, Minsk : sbornik nauchnykh rabot. Ch. 2 [68th Scientific and Technical Conference of Pupils, Students and Undergraduates, 17–22 April, Minsk: a Collection of Scientific Works. Part 2]. Minsk, Belarusian State Technological University, 345–348 (in Russian).

11. Beloplotov S. V., Balashov A. V., Cherdantsev A. O., Novikovskii E. A., Zabortseva M. N. (2016) Production of Foundry Model by Method 3D Printing. Polzunovsky vestnik, (4), 12–18 (in Russian).

12. Bobovich B. B. (2014) Polymer Structural Materials (Structure, Properties, Application). Moscow, Forum Publ. 400 (in Russian).

13. Cantrell J. (2016) Experimental Characterization of the Mechanical Properties of 3D-Printed ABS and Polycarbonate Parts. Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics, Proceedings of the 2016 Annual Conference on Experimental and Applied Mechanics, 3, 89–105. https://doi.org/10.1007/978-3-319-41600-7_11

14. Galeta T., Raos P., Stojšić J., Pakši I. (2016) Influence of Structure on Mechanical Properties of 3D-Printed Objects. Procedia Engineering, 149, 100–104. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.06.644.

15. Rankouhi B., Javadpour S., Delfanian F., Letcher T. (2016) Failure Analysis and Mechanical Characterization of 3D-Printed ABS With Respect to Layer Thickness and Orientation. Journal of Failure Analysis and Prevention, 16 (3). 467–481. https://doi.org/10.1007/s11668-016-0113-2.

16. Mohamed O. A., Masood S. H., Bhowmik J. L., Nikzad M., Azadmanjiri J. (2016) Effect of Process Parameters on Dynamic Mechanical Performance of FDM PC/ABS Printed Parts Through Design of Experiment. Journal of Materials Engineering and Performance, 25 (7), 2922–2935. https://doi.org/10.1007/s11665-016-2157-6.

17. Ferry J. (1961) Viscoelastic Properties of Polymers. NY, John Wiley & Sons. 482/

18. Shyurman K., Myuller Z., Shparenberg B. (2013) Lightweight Polymer Materials for Automotive Industry. Polimernye materialy = Polymer materials. Products, equipment, technology, (12), 32–36 (in Russian).