ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ МЕТАМАТЕРИАЛОВ PETG-FDM С ПАНТОГРАФИЧЕСКИМИ ПОДСТРУКТУРАМИ НА ОСНОВЕ РАЗЛИЧНЫХ СТРАТЕГИЙ НАРЕЗКИ

Быстрое прототипирование позволяет изготавливать необычные материалы, в результате чего получаются конструкции с очень сложной геометрией. Эти специально изготовленные структуры, особые свойства которых, такие как высокая жесткость или большая деформация, зависят от микроскопических составляющих, известны, в частности, как так называемые архитектурные материалы или метаматериалы. Следовательно, механическое деформационное поведение такого метаматериала очень чувствительно к субструктуре, а не только к глобальной структуре.

Пантографическую структуру (ПС) можно рассматривать как метаматериал, состоящий из двух ортогональных массивов балок, соединенных между собой шарнирами/цилиндрами. Пример ПС, изготовленного из полиэтилентерефталатгликоля (ПЭТГ). Для разработки такого метаматериала для специальных применений, имеющих отношение к промышленному сектору, решающее значение имеют прогнозы его структурных характеристик. Возможность получения прогнозов деформаций заключается в использовании метода конечных элементов (МКЭ). Это включает в себя очень детальную сетку всей структуры, что приводит к высоким вычислительным затратам. Причиной таких вычислительных затрат является большое количество неизвестных в классическом численном моделировании, основанном на континууме Коши–Больцмана. Однако более высокие градиентные теории способны преодолеть эти пределы, гомогенизируя дискретные структуры к эквивалентным континуумам Коши. Таким образом, PS является очень благоприятным примером, демонстрирующим это свойство, поскольку оно может быть смоделировано с помощью более высоких градиентов (например, модель второго градиентного континуума.Формулируя конститутивные законы, обнаруживаются новые и неизвестные материальные параметры. Чтобы определить эти вновь появившиеся параметры, необходимо провести эксперименты.

В этом исследовании были проведены испытания на одноосное растяжение пантографических метаматериалов с 3D-печатью, изготовленных из ПЭТГ. Исследуются и обсуждаются три различных варианта пантографии с различными размерами подструктур. Результаты испытаний на растяжение, в частности соотношения напряжение–деформация (в линейной упругой области до деформации около 1,5%), будут сравнены с результатами, полученными из (гомогенизированных) МКЭ-расчетов на основе библиотеки с открытым исходным кодом FEniCS. Как малые, так и большие деформации регистрируются и оцениваются с помощью двумерной корреляции цифровых изображений (DIC).

Большие деформации

Деформационное поведение всех образцов, полученных при испытаниях на осевое растяжение. Все образцы демонстрируют нелинейное деформационное поведение. Они способны деформироваться по крайней мере εxx=4%εxx=4% осевого удлинения до наступления окончательного разрушения. Кроме того, все образцы даже способны поглощать гораздо более высокие напряжения после первого разрыва. Интересно, что образец С2 демонстрирует (почти линейное упругое) деформационное поведение примерно до εC1xx=17,47%εxxC1=17.47% осевого удлинения, где происходит первое разрушение конструкции. Напротив, образец В1 демонстрирует нелинейное неупругое деформационное поведение примерно до εB1xx=10,51%εxxB1=10.51% осевого удлинения, при котором происходит первое разрушение конструкции, не приводящее к окончательному разрыву. Тем не менее, плавный переход к пластической деформации приводит к значительному сужению глобальной структуры . Из-за сложной геометрии реорганизация цилиндров и балок приводит к разумному поведению упругого материала. Это хорошо согласуется с результатами экспериментов на растяжение применительно к ПСС, изготовленным из полиамида, отмеченными в литературе.

Эти наблюдения показывают, что образцы А1 и А2 способны переносить более высокие нагрузки до поломки. С механической точки зрения сопротивление кручению и изгибу цилиндров, а также сопротивление сдвиговым напряжениям в направлении осевого шарнира/слоя цилиндра приводят к общему более жесткому деформационному поведению. Напротив, сдвиговые напряжения в шарнирах образцов В1 и В2 с ориентацией слоя g=0∘g=0∘ приведите к своего рода совместимому/упругому деформационному поведению. Предполагается, что основная причина вызвана более высокой высотой оси h=3ммh=3mm в отличие от образцов А1 и А2 (h=1ммh=1mmДругая причина может заключаться в том, что максимальные напряжения распределяются по балкам гораздо проще. Подводя итог, можно сказать, что, с одной стороны, образцы А1 и А2 способны противостоять более высоким нагрузкам растяжения (напряжениям) до первого разрыва и окончательного разрушения, но, с другой стороны, образцы В1, В2, С1 и С2 способны выполнять гораздо более высокие осевые удлинения (деформации) до окончательного разрушения.

Небольшие деформации

Интересно, что образцы В1 и В2, а также образцы С1 и С2 демонстрируют одинаковое (почти линейное) поведение упругой деформации по отношению друг к другу. Образцы А1 и А2 сильно отличаются друг от друга и демонстрируют нелинейность, особенно если образец А2 следует нелинейному неупругому режиму. Из - за большей высоты поворота (h=3ммh=3mm) образцов В1, В2, С1 и С2 можно распознать поведение пластической деформации с меньшей жесткостью в отличие от образцов А1 и А2. Причиной относительно небольших удлинений А1 и А2 может быть очень чувствительная природа ПЭТГ к влажности. Эти полимеры способны поглощать даже влагу из воздуха.

Все микроструктурные особенности (такие как волокна, пустоты и их интерфейсы) моделировались однородно. Но такой однородности не существует в реальных изготовленных образцах. Из-за производственных обстоятельств в FDM печати возникают неоднородные внутренние структуры. Перепады температур между затвердевшими волокнами и осажденным расплавом вызывают неоднородные границы раздела, которые не учитывались при моделировании FEM. Это также могло бы объяснить арифметическую разницу примерно в 6% между поперечной изотропной МКЭ и экспериментальными результатами.

Вывод

Три типа пантографических метаматериалов, состоящих из различных субструктур, были аддитивно изготовлены (а именно FDM) с использованием трех различных стратегий нарезки. В качестве нитевидного материала использовался ПЭТГ. Модуль Юнга 3D-печатного PETG был определен как E1=1838МПаE1=1838MPa, в соответствии с ISO 527-2. Кроме того, шесть квазистатических испытаний на одноосное растяжение были проведены на трех партиях пантографических образцов разного размера.

Как правило, 3D-печатные метаматериалы с пантографической субструктурой демонстрируют гораздо более высокие деформации (εxx>>3.5%εxx>>3.5%), чем 3D-печатные стандартизированные растягивающие образцы с более чем 20 слоями. ПСС, изготовленные с использованием стратегии нарезки В (ориентация слоя 0∘0∘ по отношению к боковой плоскости метаматериала) проявляют высокое упругое и, следовательно, упругое деформационное поведение, приводящее примерно к εxx=9−15%εxx=9−15% осевого удлинения. Кроме того, PSs печатается со стратегией нарезки C (ориентация слоя 90∘90∘ по отношению к боковой плоскости метаматериала) показывают еще большее осевое удлинение примерно до εxx=18−20%εxx=18−20%. Напротив, структуры, напечатанные с ориентацией слоя 90∘90∘ (стратегия нарезки А) и меньшие внутренние параметры на подструктуре способны деформироваться только примерно до εxx=4−5%εxx=4−5% осевого удлинения. Большим преимуществом пантографических метаматериалов является высокая упругая деформация всей конструкции против окончательного разрушения даже после появления локальных разрывов. Следовательно, сочетание этих специфических механических свойств, таких как большие (упругие) деформации или регулируемая жесткость, делает эти метаматериалы очень полезными для технических применений в легкой или медицинской промышленности, соответственно.

Список литературы:

1. Бигерт Что должен знать заказчик полиграфической продукции. (9 шагов успешной проверки контрольных оттисков в офсетной печати) / Бигерт, Дж Дайана. - М.: Центр Американских Полиграфических Технологий, 2018. - 128 c.