DOI: https://doi.org/10.32515/2664-262X.2025.11(42).1.101-107

Технологічна пошкоджуваність конструкцій, виготовлених методом 3D-друку

О. В. Тимошенко, О. С. Мусієнко, Я. В. Демешко

Про авторів

О. В. Тимошенко, доцент, кандидат технічних наук, Національний технійчний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна, e-mail: timosaha@ukr.net, 0000-0003-0226-3755

О. С. Мусієнко, доктор філософії, Національний технійчний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна, e-mail: olga.musinko@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-8255-3909

Я. В. Демешко, аспірант, Національний технійчний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна, e-mail: demeshko.yaroslav.01@gmail.com, ORCID ID: 0009-0009-0863-4407

Анотація

У роботі досліджуються аспекти технологічної пошкоджуваності конструкцій, виготовлених за допомогою адитивних технологій, зокрема методом 3D-друку. Основною метою дослідження є аналіз впливу параметрів друку, зокрема ступеня заповнення, на механічні властивості матеріалу PLA, що є одним з найбільш популярних матеріалів для 3D-друку. У роботі детально розглянуто, як ступінь заповнення конструкцій, який варіюється від 20% до 100%, впливає на їх механічні характеристики, зокрема на межу міцності, модуль Юнга та деформацію при руйнуванні. Для дослідження було проведено експериментальні випробування на розтяг зразків PLA з різними відсотками заповнення. У результаті випробувань було виявлено, що з підвищенням ступеня заповнення конструкцій матеріал показує зростання жорсткості та міцності, однак на певних етапах цей ефект перестає бути лінійним. Найвищі значення механічних характеристик були зафіксовані при 100% заповненні, однак зменшення ступеня заповнення призводило до значного зниження міцності матеріалу, особливо при 20% заповненні, де було зафіксовано значну деформацію при менших навантаженнях. Це вказує на значний вплив внутрішньої структури матеріалу на його експлуатаційні характеристики, що повинно бути враховано при проєктуванні конструкцій для конкретних цілей.

Ключові слова

PLA, 3D-друк, випробування на розтяг, міцність, модуль Юнга, початкова пошкоджуваність, параметр пошкоджуваності

Повний текст:

PDF

Посилання

1. Srivastava, M., Rathee, S., Patel, V., Kumar, A., & Koppad, P. G. (2022). A review of various materials for additive manufacturing: Recent trends and processing issues. Journal of Materials Research and Technology, 21, 2612–2641. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.05.022.

2. Zalohin, M. Yu., Skliarov, V. V., Dovzhenko, J. S., & Brega, D. A. (2019). Experimental determination and comparative analysis of the PPH030GP, ABS and PLA polymer strength characteristics at different strain rates. Science & Technique, 18, 233–239. DOI:10.21122/2227-1031-2019-18-3-233-239.

3. Stoia, D. I., Marsavina, L., & Linul, E. (2021). Mode I critical energy release rate of additively manufactured polyamide samples. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 114, 102968. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2021.102968 [in English].

4. Singamneni, S., Behera, M. P., Truong, D., Le Guen, M. J., Macrae, E., & Pickering, K. (2021). Direct extrusion 3D printing for a softer PLA-based bio-polymer composite in pellet form. Journal of Materials Research and Technology, 15, 936–949. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.06.041.

5. Tao, Y., Kong, F., Li, Z., Zhang, J., Zhao, X., Yin, Q., Xing, D., & Li, P. (2021). A review on voids of 3D printed parts by fused filament fabrication. Journal of Materials Research and Technology, 15, 4860–4879. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.07.071.

6. Vidakis, N., Kechagias, J. D., Petousis, M., Vakouftsi, F., & Mountakis, N. (2023). The effects of FFF 3D printing parameters on energy consumption. Materials and Manufacturing Processes, 38(8), 915–932. https://doi.org/10.1080/10426914.2023.2191842.

7. Cai, L., Byrd, P., Zhang, H., Schlarman, K., Zhang, Y., Golub, M., & Zhang, J. (n.d.). Effect of printing orientation on strength of 3D printed ABS plastics.

8. Musiienko, O. S., Slobodianiuk, I. V., & Reminny, V. A. (2024). The influence of moisture content of polymeric materials on the mechanical characteristics of products printed by 3D printing. Sekcia 1 "Organisaciyno-ekonomichni Metodi realisacii innovaciynoi modeli rozvutky ekonomiky", p.148 [in Ukrainian].

9. Vălean, C., Marșavina, L., Mărghitaș, M., & others. (2020). The effect of crack insertion for FDM printed PLA materials on Mode I and Mode II fracture toughness. Procedia Structural Integrity, 28, 1134–1139. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.10.134.

10. Rubashevsky, V. V., & Shykaev, S. M. (2020). Micnist i pruzhnist PLA + graphit composityv: experymentalny I teoretichniy analis. [Strength and elasticity of PLA + graphite composites: experimental and theoretical analysis.] p.145-154 [in Ukrainian].

11. Hussain, M., Khan, S. M., Shafiq, M., & Abbas, N. (n.d.). A review on PLA-based biodegradable materials for biomedical applications.

12. Lemaitre, J., & Desmorat, R. (2005). Engineering Damage Mechanics. Springer.

13. Badreddine, H., Saanouni, K., & Nguyen, T. D. (2015). Damage anisotropy and its effect on the plastic anisotropy evolution under finite strains. International Journal of Solids and Structures, 63, 11–31. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2015.02.009.

14. Lu, D., et al. (2022). Double scalar variables plastic-damage model for concrete. Journal of Engineering Mechanics, 148(2), 04021143. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0002049 [in English].

15. Xing, L., et al. (2022). A micromechanics-based damage constitutive model considering microstructure for aluminum alloys. International Journal of Plasticity, 157, 103390. doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103390.

16. Chausov, M. G., Maruschak, P. O., Hutsaylyuk, V., Śnieżek, L., & Pylypenko, A. P. (2018). Effect of complex combined loading mode on the fracture toughness of titanium alloys. Vacuum, 147, 51–57. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.10.010 [in English].

17. Betten, J. (1983). Damage tensors in continuum mechanics. Journal de mécanique théorique appliquée, 1, 13–32.

18. Shedbale, A. S., Sun, G., & Poh, L. H. (2021). A localizing gradient enhanced isotropic damage model with Ottosen equivalent strain for the mixed-mode fracture of concrete. International Journal of Mechanical Sciences, 199, 106410. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106410 [in English].

19. Brünig, M., Koirala, S., & Gerke, S. (2024). Micro-mechanical numerical analysis on ductile damage in multiaxially loaded anisotropic metals. Computational Mechanics, 73(2), 223–232. https://doi.org/10.1007/s00466-023-02258-7.

20. Keshavarz, A., & Ghajar, R. (2019). Effect of isotropic and anisotropic damage and plasticity on ductile crack initiation. International Journal of Damage Mechanics, 28(6), 918–942. https://doi.org/10.1177/1056789519829691.

21. Xing, L., et al. (2022). A micromechanics-based damage constitutive model considering microstructure for aluminum alloys. International Journal of Plasticity, 157, 103390. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103390.

22. Yue, Z., et al. (2019). Failure prediction on steel sheet under different loading paths based on fully coupled ductile damage model. International Journal of Mechanical Sciences, 153, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2019.105349.

23. DSTU EN ISO 527-3:2017. (2017). Plasmasy. Vysnachennya vlastivostey pid chas roztyguvannya. Chastyna 3. Umovy vyprobyvannya dlya plivok ta listiv. [Plastics. Determination of tensile properties. Part 3. Test conditions for films and sheets.] [in Ukrainian].

24. Tymoshenko, O. V., Musiienko, O. S., & Demeshko, Y. V. (2023). Vplyv struktury zapovnennya na micnist PLA-plastyku pry 3D-druci [Influence of the filling structure on the strength of PLA plastic in 3D printing.] p.60-62 [in Ukrainian].

Пристатейна бібліографія ГОСТ

1. Srivastava, M., Rathee, S., Patel, V., Kumar, A., Koppad, P. G. A review of various materials for additive manufacturing: recent trends and processing issues. Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 21. P. 2612–2641.

2. Залохін, М. Ю., Скляров, В. В., Довженко, Ю. С., Брега, Д. А. Експериментальне визначення та порівняльний аналіз міцнісних характеристик полімерів PPH030GP, ABS і PLA при різних швидкостях деформування. Science & Technique. 2019. №18. С. 233–239.

3. Stoia, D. I., Marsavina, L., Linul, E. Mode I critical energy release rate of additively manufactured polyamide samples. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2021. Vol. 114. Article 102968.

4. Singamneni, S., Behera, M. P., Truong, D., Le Guen, M. J., Macrae, E., Pickering, K. Direct extrusion 3D printing for a softer PLA-based bio-polymer composite in pellet form. Journal of Materials Research and Technology. 2021. Vol. 15. P. 936–949.

5. Tao, Y., Kong, F., Li, Z., Zhang, J., Zhao, X., Yin, Q., Xing, D., Li, P. A review on voids of 3D printed parts by fused filament fabrication. Journal of Materials Research and Technology. 2021. Vol. 15. P. 4860–4879.

6. Vidakis, N., Kechagias, J. D., Petousis, M., Vakouftsi, F., Mountakis, N. The effects of FFF 3D printing parameters on energy consumption. Materials and Manufacturing Processes. 2023. Vol. 38, No. 8. P. 915–932.

7. Cai, L., Byrd, P., Zhang, H., Schlarman, K., Zhang, Y., Golub, M., Zhang, J. Effect of printing orientation on strength of 3D printed ABS plastics. Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 56. P. 453–460.

8. Мусієнко, О. С., Слободянюк, І. В., Ремінний, В. А. Вплив вологості полімерних матеріалів на механічні характеристики виробів, надрукованих методом 3D-друку. Організаційно-економічні методи реалізації інноваційної моделі розвитку економіки. 2024. С. 148.

9. Vălean, C., Marșavina, L., Mărghitaș, M., et al. The effect of crack insertion for FDM printed PLA materials on Mode I and Mode II fracture toughness. Procedia Structural Integrity. 2020. Vol. 28. P. 1134–1139.

10. Rubashevskyi, V., Shukayev, S. Міцність і пружність PLA+ графіт композитів: експериментальний і теоретичний аналіз // Mechanics and Advanced Technologies. 2023. Vol. 7, No. 2 (98). С. 145–154.

11. Hussain, M., Khan, S. M., Shafiq, M., Abbas, N. A review on PLA-based biodegradable materials for biomedical applications. Journal of Polymer Research. 2022. Vol. 29. Article 123.

12. Lemaitre, J., Desmorat, R. Engineering Damage Mechanics. Paris: Springer, 2005. 380 p.

13. Badreddine, H., Saanouni, K., Nguyen, T. D. Damage anisotropy and its effect on the plastic anisotropy evolution under finite strains. International Journal of Solids and Structures. 2015. Vol. 63. P. 11–31.

14. Lu, D., et al. Double scalar variables plastic-damage model for concrete. Journal of Engineering Mechanics. 2022. Vol. 148, No. 2. Article 04021143.

15. Xing, L., et al. A micromechanics-based damage constitutive model considering microstructure for aluminum alloys. International Journal of Plasticity. 2022. Vol. 157. Article 103390.

16. Chausov, M. G., Maruschak, P. O., Hutsaylyuk, V., Śnieżek, L., Pylypenko, A. P. Effect of complex combined loading mode on the fracture toughness of titanium alloys. Vacuum. 2018. Vol. 147. P. 51–57.

17. Betten, J. Damage tensors in continuum mechanics. Journal de Mécanique Théorique et Appliquée. 1983. No. 1. P. 13–32.

18. Shedbale, A. S., Sun, G., Poh, L. H. A localizing gradient enhanced isotropic damage model with Ottosen equivalent strain for the mixed-mode fracture of concrete. International Journal of Mechanical Sciences. 2021. Vol. 199. Article 106410.

19. Brünig, M., Koirala, S., Gerke, S. Micro-mechanical numerical analysis on ductile damage in multiaxially loaded anisotropic metals. Computational Mechanics. 2024. Vol. 73, No. 2. P. 223–232.

20. Keshavarz, A., Ghajar, R. Effect of isotropic and anisotropic damage and plasticity on ductile crack initiation. International Journal of Damage Mechanics. 2019. Vol. 28, No. 6. P. 918–942.

21. Xing L., et al. A micromechanics-based damage constitutive model considering microstructure for aluminum alloys. International Journal of Plasticity. 2022. Vol. 157. P. 103390.

22. Yue, Z., et al. Failure prediction on steel sheet under different loading paths based on fully coupled ductile damage model. International Journal of Mechanical Sciences. 2019. Vol. 153. P. 1–9.

23. ДСТУ EN ISO 527-3:2017. Пластмаси. Визначення властивостей під час розтягування. Частина 3. Умови випробування для плівок і листів (EN ISO 527-3:1995; AC:2002, IDT; ISO 527-3:1995; Cor.1:2001, IDT).

24. Тимошенко, О. В., Мусієнко, О. С., Демешко, Я. В. Вплив структури заповнення на міцність PLA-пластику при 3D-друці. Прогресивна техніка, технологія та інженерна освіта. 2024. С. 60–62.


Copyright (c) 2025 О. В. Тимошенко, О. С. Мусієнко, Я. В. Демешко