Забезпечення параметрів якості інженерних виробів, отриманих FDM, мінімальною постобробкою
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Костенко А.О. Забезпечення параметрів якості інженерних виробів, отриманих FDM, мінімальною постобробкою. – Кваліфікаційна праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 13 Механічна інженерія 131 Прикладна механіка. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Адитивні технології останніми роками принципово змінили парадигму інженерного проектування та конструювання, перетворивши ці процеси на системи безперервного синтезу готових тривимірних фізичних об'єктів. Серед широкого спектра технологій метод моделювання шляхом пошарового наплавлення полімерної нитки посідає провідне місце завдяки своїй економічній доступності, простоті експлуатації обладнання та широкій номенклатурі використовуваних матеріалів. Одним із найбільш доступних, дешевих і поширених методів є процес FDM (Fused Deposition Modeling) – процес пошарового викладання розплаву філаменту. Разом з тим, впровадження FDM-друку для виробництва відповідальних інженерних деталей гальмується рядом суттєвих недоліків. FDM-вироби не є повністю компактними та щільними. Пошарове викладання матеріалу призводить до формування вираженої анізотропії механічних властивостей: міцність деталі вздовж напрямку викладання волокон значно перевищує її міцність у напрямку осі Z. Якість і міцність з'єднання окремих ниток і шарів між собою критично залежать від температурних полів під час теплового контакту та гідродинамічних явищ екструзії розплаву. Як наслідок, надруковані деталі характеризуються значною похибкою форми, відхиленням геометричних розмірів, високою шорсткістю поверхні та наявністю маси внутрішніх і поверхневих дефектів (порожнини, деламінація, температурне викривлення, усадка). Щоб забезпечити параметри якості, адитовані заготовки зазвичай піддають постобробленню (механічному, фізико-хімічному, термічному). Проте механічний вплив різального інструмента на шарувату та порожнисту структуру 3D-друкованого пластику кардинально відрізняється від обробки суцільних металів чи литих полімерів. Механічне оброблення може як ліквідувати поверхневі дефекти, так і спровокувати зародження нових, викликати розвиток мікротріщин у приповерхневих шарах, збільшуючи так званий «деструктивний шар» через силові та теплові навантаження. Тому комплексне дослідження впливу механічного постоброблення на параметри якості виробів з FDM, а також розробка принципів мінімізації такого оброблення є надзвичайно актуальною науково-прикладною задачею. Виконано ґрунтовний огляд сучасного стану адитивних технологій. Проведено порівняльний аналіз FDM з іншими методами. Показано, що незважаючи на доступність FDM, процес несе в собі ризики утворення специфічних макро- та мікродефектів, які суттєво знижують несучу здатність та довговічність деталей. Обрано найбільш важливі параметри якості: міцність на розрив, квалітет точності (ІТ9–ІТ11), шорсткість поверхні (за параметром Ra) та герметичність. Зазначено, що нині інженерна практика покладається на механічне постоброблення для вилучення опорних і допоміжних структур та забезпечення квалітету точності окремих елементів. Однак класичні методики розрахунку припусків на механічну обробку не працюють для FDM-виробів через неоднорідність структури адитованого виробу. Постоброблення також виступає як засіб видалення поверхневих дефектів (хвиль, напливів), але одночасно може породжувати нові (внутрішні тріщини від дії мікроклина інструменту, термічні припали). На основі виконаного аналізу сформульовано основну гіпотезу досліджень щодо впливу постоброблення на параметри якості готового виробу. Обґрунтовано теоретико-експериментальну базу дослідження. Формування вихідних показників якості подано у вигляді складної цільової функції перетворення початкових (прогнозованих) геометричних і механічних характеристик через режими друку (швидкість обходу, товщина шару, температура екструдера) та режими обробки різанням (швидкість, глибина, подача) у вихідні. Наведено математичну модель термомеханічної поведінки матеріалу в процесі екструзії та охолодження. Показано, що плоский напружений стан у у площині викладання OXY супроводжується температурними градієнтами, які призводять до виникнення залишкових напружень. Для експериментальної оцінки використано методику випробувань на розтяг за стандартом ASTM D638-14. Застосовано методику контролю шорсткості та хвилястості поверхонь за допомогою профілограм, та методику дослідження газопроникності/герметичності деталей з використанням вакуумного поста ВУП-5. У якості основного інженерного демонстратора було обрано стільниковий бак, що працює під внутрішнім тиском. Аналіз такого виробу зводиться до оцінки взаємодії кількох компонент: внутрішньої стінки, еквівалентного стільникового заповнювача та зовнішньої стінки. Фланець бака змодельовано як защемлену круглу пластину в полярних координатах, що дозволило аналітично вивести рівняння для радіальних і тангенціальних згинальних моментів. Досліджено напружено-деформований стан оболонки. Прийнято до уваги структурну неоднорідність середовища. Показано, що руйнування оболонки відбувається внаслідок розвитку дефектів (тріщин нормального відриву), які здебільшого зароджуються в зонах міжшарових порожнин та температурних концентраторів і поведінка яких може бути описана за критерієм енергії руйнування Гріффітса. Наявність скупчень поверхневих дефектів критично погіршує напружено-деформований стан, концентруючи еквівалентні напруження в місцях сполучення фланця із циліндричною частиною баку. Відповідно до головної гіпотези досліджень змодельовано взаємодію різального клина з FDM-заготовкою у квазістатичній та динамічній постановках при точінні, фрезеруванні та свердлінні. Доведено, що процес різання супроводжується зсувними пружно-пластичними явищами. Через наявність внутрішніх пустот і низьку міжшарову міцність поле напружень від леза різця поширюється у глибину матеріалу: при різанні вздовж волокон — до 4 шарів, при поперечному різанні — до 5 шарів. Ця зона формує модифікований шар (Td). Обґрунтовано критерії вибору параметрів постоброблення. Досліджено процеси лезової обробки та шліфування. Встановлено, що шліфування пластикових FDM-виробів супроводжується значним тепловиділенням: контактна температура може сягати 220–310 °C, що перевищує температуру склування та навіть плавлення більшості філаментів. Це викликає локальні припали, розм'якшення, газовиділення та замазування абразивного круга, що робить високошвидкісне шліфування (понад 25 м/с) неефективним без спеціального охолодження. Обмеження інтенсивності шліфування дозволяє отримати шорсткість на рівні Ra 1,2–2,5 мкм. При лезовому обробленні (точінні) виявлено, що вироби вкрай чутливі до режимів різання. При швидкостях різання виробів з PLA більше 45 м/хв, товщині зняття понад 1,0–1,5 мм та подачі 0,5–0,6 мм/об напруження у площинах міжшарового зчеплення зростають до 32–48 МПа. Встановлено функціональний зв'язок між товщиною модифікованого шару (Td) та експлуатаційними показниками (межею міцності σb та втомною міцністю σm). Зняття поверхневого шару до певної глибини призводить до усунення концентраторів напружень і зростання міцності деталі. Однак надмірне зняття матеріалу або агресивне різання збільшує Td, що погіршує параметри якості. Встановлено закономірності зміни параметрів поверхні та модифікації поверхневих шарів механічним впливом (різанням або мікрорізанням). Способи і методи механічного оброблення аналогічні обробці полімерних матеріалів, у тому числі, шаруватих полімерних композитів, з обмеженням силового впливу та врахуванням анізотропії властивостей адитованого виробу.
Опис
Ключові слова
адитивні технології, FDM-Друк, механічні властивості, точність виготовлення, стільникові структури, дефекти структури, концентратори напружень, експлуатаційні властивості, багатошарові оболонки, розвиток пошкоджень, постоброблення, механічна обробка, напружено-деформований стан, additive technologies, FDM printing, mechanical properties, manufacturing accuracy, honeycomb structures, structure defects, stress concentrators, operational properties, multilayer shells, damage development, postprocessing, mechanical machining, stress-strain state
Бібліографічний опис
Костенко, А. О. Забезпечення параметрів якості інженерних виробів, отриманих FDM, мінімальною постобробкою : дис. … д-ра філософії : 131 – Прикладна механіка / Костенко Антон Олександрович. – Київ, 2026. – 273 с.