Вологодская область, Россия
УДК 621.792.6 Соединение неметаллов с неметаллами
УДК 620.174.21 Измерение усилий и напряжений
Применение аддитивных технологий в производстве деталей беспилотных летальных аппаратов имеет ряд преимуществ. Современные исследования подтверждают необходимость обязательной проверки прочностных свойств узлов БПЛА, произведенных с использованием 3D-печати. В данной работе представлены результаты испытаний на статический изгиб композитных изделий, полученных на аддитивных установках Stereotech Fiber 530 V5 методом трёх- и пятиосевой объёмной печати с армированием непрерывным волокном. Для исследования поведения армированных образцов при совместном воздействии изгиба и межслойного сдвига проведены испытания на статический изгиб согласно ГОСТ Р 56810-2015. Для испытаний изготовлено семь групп образцов с различными схемами расположения слоёв и структурами армирования термопластиком PA6 в виде материала матрицы и армированием филаментом Contifiber CPA на основе нити Umatex UMT42S-3K. Для армирования использовалось разное количество армирующего филамента. Испытания образцов проведены на универсальной машине ТРМ-С 10 А1 с приспособлением для испытаний на трёхточечный изгиб. Приведены рассчитанные значения следующих показателей прочности: предел прочности по нормальным напряжениям, прочность при межслойном сдвиге, модуль упругости при изгибе и модуль межслойного сдвига. Представлены диаграммы нагружения образцов при испытаниях на статический изгиб. Установлено, что пятиосевая технология аддитивного изготовления армированных изделий позволяет достичь увеличения предела прочности при статическом изгибе от 1,5 до 2,5 раз и модуля сдвига от 2 до 4 раз для изделий, изготавливаемых по технологии пятиосевой печати с армированием непрерывным волокном 10…20 % объёма, по сравнению с неармированными печатными изделиями и печатными изделиями, армированными по традиционной трёхосевой технологии.
аддитивное производство, пятиосевая печать, армирование, прочность, статический изгиб
Введение
Применение аддитивных технологий для создания деталей и компонентов БПЛА общего назначения позволяет ускорить процесс разработки и снизить затраты на изготовление [1]. Поскольку аддитивные технологии позволяют создавать сложные геометрические формы и компоненты, которые трудно или невозможно изготовить традиционными методами [2], их применение позволяет повысить технологичность конструкции и уменьшить количество деталей, например, за счёт их объединения, применения специальных креплений и других функциональных элементов. Широко используется в конструировании и мелкосерийном производстве элементов несущей системы БПЛА технология послойного наплавления полимерного материала FDM (Fused Deposition Modelling), особенно вместе с композиционными материалами с короткими или непрерывными армирующими волокнами. Например, в работе [3] была предложена технология аддитивного изготовления армированных изделий, предусматривающая построение армирующего каркаса и матрицы при трёх- и пятиосевой печати по одному из шести способов в зависимости от конфигурации изделия и технических требований. Методы пятиосевой печати находят применение преимущественно для изготовления изделий в виде тел вращения, какие представляют собой, например, трубчатые лучи и некоторые крепления беспилотников коптерного типа.
В то же время применение любой технологии для производства ответственных изделий, таких как элементы несущей системы БПЛА, требует знания о механических свойствах получаемых изделий в зависимости от значений технологических параметров. Так, в исследованиях [4 – 6] отмечается необходимость проверки прочностных свойств узлов БПЛА, произведенных с использованием 3D-печати и подтверждается недостаточная проработанность справочного материала о свойствах печатных изделий. Кроме того, в технологиях печати с укладкой непрерывных армирующих материалов свойства очень сильно зависят не только от свойств исходного материала, но и от условий и параметров конкретного технологического процесса.
Целью данного исследования является экспериментальная проверка прочности при статическом изгибе композитных изделий, полученных методами трёх- и пятиосевой объёмной печати с армированием, и сопоставление с неармированными печатными изделиями и печатными изделиями, армированными по традиционной трёхосевой технологии.
Из-за сложностей с обработкой результатов испытания на статический изгиб зачастую считаются второстепенными, и их не рекомендуют использовать при расчётах армированных конструкций. Тем не менее, этот вид испытаний очень распространён [5, 7] благодаря своей простоте, возможности оценить влияние условий технологического процесса производства образцов на их прочностные свойства, а также большому объёму получаемой информации: по результатам испытаний возможно рассчитать предел прочности по нормальным напряжениям, прочность при межслойном сдвиге, модуль упругости при изгибе и модуль межслойного сдвига [8].
Материалы и методы исследования
Для исследования поведения армированных образцов при совместном воздействии изгиба и межслойного сдвига проведены испытания на статический изгиб согласно
ГОСТ Р 56810-2015. Изготовлено семь групп образцов с применением материалов: материал матрицы – термопластик PA6 производства ООО «РЭК», армирование – армирующий филамент Contifiber CPA производства ООО «РЭК», представляющий собой препрег на основе нити Umatex UMT42S-3K с 50 % содержанием волокна в филаменте. Для изготовления всех армированных образцов применялся принтер Stereotech Fiber 530 V5.
Для испытаний изготовлено 6 групп образцов в виде призматических брусков (по 5 образцов каждого вида):
- 3D печать с армированием в плоскости XY (плоское армирование), расположение слоёв образца «плашмя» к направлению нагрузки (рис. 1);
- 3D печать с армированием в плоскости XZ (плоское армирование), расположение слоёв образца «ребром» к направлению нагрузки (рис. 2);
- классическая пятиосевая печать без армирования с углом подъёма линий термопластика ± 45 ° (рис. 3), описанная в [9];
- пятиосевая печать с сетчатым армированием, с углом φ = 75 ° (цилиндрическое армирование) и различной плотностью укладки волокон ρF = {100; 75; 50} % (рис. 4).
Ориентация образцов групп 1, 2 относительно осей координат установки указана в соответствии с ГОСТ Р 59929-2021. Для армирования использовалось разное количество армирующего филамента, объёмное содержание армирования VF составило от 11 % до 18 %. Структуры армирования образцов каждой группы показаны на рис. 2 – 6, матрица построена из 3 контуров термопластика шириной
0,6 мм и сплошного внутреннего заполнения линиями под углом ± 45 °. Образцы групп 4 – 7 печатались на сердечниках из того же матричного материала с однонаправленным плоским армированием, сердечники печатались в режиме 3D с расположением слоёв XY (аналогично образцам группы 1). Количество и объёмное содержание волокна в пятиосевых образцах для каждой группы приведено с учётом волокна, заложенного в сердечник.Также изготовлена седьмая группа симметричных образцов в виде цилиндров, армированных сеткой с φ = 75 ° и ρF = 75 % (рис. 5). Образцы группы 7 также изготовлены в количестве 5 штук.
Испытания образцов проведены на универсальной машине ТРМ-С 10 А1 с приспособлением для испытаний на трёхточечный изгиб. Согласно ГОСТ Р 56810 использованы диаметры опор d = 5 мм, установлено расстояние между опорами S = 128 мм, скорость нагружения v = 5 мм/мин. При испытании фиксировались максимальная нагрузка Fmax и максимальный прогиб образца wmax (по перемещению подвижной траверсы), а также диаграмма нагружения и характер разрушения. Предел прочности (по нормальным напряжениям) и модуль упругости при изгибе определялись по рекомендациям ГОСТ Р 56810.
По рекомендациям ГОСТ модуль упругости Eи определялся по линейному участку диаграммы при относительной деформации
ε = {0,05; 0,25} %.Также для каждого образца определялись максимальные касательные напряжения τи по формуле Журавского [11]:
, (1)
где Qy = F/2 – значение поперечной силы при трёхточечной схеме испытания [10]; Jz – момент инерции сечения относительно центральной оси, зависящий от формы сечения (прямоугольник или круг); Sz' – статический момент площади A' отсечённой части сечения образца относительно центральной оси, зависящий от формы сечения согласно [11].
Модуль межслойного сдвига Gxz оценивался по зависимости, предложенной Ю.М. Тарнопольским и Т.Я. Кинцисом [8]:
, (2)
где Eраст – истинный модуль упругости, определяемый из испытаний на растяжение, по результатам испытаний на растяжение в [6] принято Eраст ≈ 50 ГПа;
– фиктивный модуль упругости при изгибе, скорректированный с учётом деформации образцов согласно рекомендациям статьи [12].
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты испытаний с рассчитанными значениями всех перечисленных показателей прочности приведены в табл. 1. Диаграммы нагружения образцов всех групп при изгибе приведены на рис. 6. Если образец с
50 % армированием имеет мало отличий от неармированного пятиосевого образца, то образцы с плотностью укладки волокон 75 % и более уже показали максимальные нормальные и касательные напряжения в 1,5 – 3 раза больше. Похожая разница в 1,5 – 2,5 раза есть и между образцами с объёмным и плоским армированием.
Линейный участок диаграмм всех армированных образцов располагается примерно до 1 % относительной деформации нижних волокон, что соответствует примерно 4…5 мм прогиба.
Объёмно армированные образцы с содержанием волокна 13…19 % показали
в 1,5 – 3 раза большие значения предела прочности, максимума касательных напряжений и модуля межслойного сдвига. Видно качественное различие в характере разрушения. На плоских образцах (рис. 7) хорошо заметно расслоение, следы межслойного сдвига, а также в зоне сжатия – распадение армирующего жгута на отдельные волокна, что видно на образце XY. Все объёмно армированные образцы ломаются с чётким образованием трещины в среднем сечении (рис. 8).
Наилучшие результаты показал цилиндрический образец. Образцы такой формы ГОСТом не предусмотрены, однако при меньших размерах сечения он выдержал почти такую же нагрузку, причём и модуль упругости для него оказался на 60 % больше, чем для образцов с плоским армированием. При этом цилиндрический образец полностью симметричен, т. е. независимо от того, в каком направлении будет приложена изгибающая нагрузка, он покажет одинаковые характеристики, в отличие от плоских образцов.
По итогам испытания образцов с трёх- и пятиосевым армированием на изгиб можно установить следующие закономерности:
1. Наибольшую эффективность показывают образцы, полностью построенные из замкнутых слоёв, как цилиндрические образцы группы 7 – предел прочности, максимальные касательные напряжения и модуль сдвига до 2,5 раз больше, чем у плоско армированных образцов с тем же содержанием армирования. При этом образцы группы 6 в виде брусков с аналогичной структурой сетчатого армирующего каркаса показали меньшую концентрацию армирующих волокон и большую толщину образца.
2. Несмотря на то, что образцы в виде брусков с цилиндрическим армированием показали меньшую прочность, чем образцы цилиндрической формы, по сравнению с плоско армированными образцами они показали схожие или лучшие показатели максимальных нормальных и касательных напряжений, модуля сдвига, т. е. всех вычисленных параметров, кроме модуля упругости при изгибе. Разрушение этих образцов также происходило без значительного расслоения. В то же время образцы с пятиосевым армированием с углом подъёма армирующих линий φ = 45 °, испытания которых описаны в статье [3], показали, напротив, худшие результаты, чем образцы с плоским армированием.
3. Как по нормальным, так и по касательным напряжениям для образцов в виде брусков с пятиосевым сетчатым армированием (группы 4 – 6) прирост прочности при увеличении плотности укладки волокон ρF с 75 % до 100 % незначителен (рис. 9), при этом разброс значений увеличивается почти в 2 раза, что объясняется ухудшением стабильности процесса выкладки армирующего волокна.
4. Иную зависимость показывает модуль сдвига Gxz, вычисленный по результатам испытаний на статический изгиб (рис. 9): при плотности ρF = 75 % он существенно превышает результат для образцов с ρF = 100 % и
50 % (в 1,5 и 2,5 раза соответственно). Предположительно, такая разница между результатами для образцов с плотностью 75 % и 100 % также связана с тем, что при изготовлении последних накапливается большее количество дефектов и местных отклонений толщины слоя, из-за чего нарушается структура слоёв матрицы, окружающих армирование, и последующие слои частично размазываются поверх построенного армирующего каркаса.
В связи с закономерностями, описанными в п. 3 и 4, при нагрузках на изгиб целесообразно использовать схемы армирования с плотностью укладки армирующих линий около 75 %.
Заключение
В результате экспериментальной проверки установлено, что технология аддитивного изготовления армированных изделий позволяет достичь увеличения предела прочности при статическом изгибе от 1,5 до 2,5 раз и модуля сдвига от 2 до 4 раз для изделий, изготавливаемых по технологии пятиосевой печати с армированием непрерывным волокном на 10…20 % объёма, как по сравнению с классической технологией пятиосевой печати, так и по сравнению с известными методами трёхосевой FDM печати с армированием. Это позволяет расширить технологические возможности и области применения аддитивных технологий при производстве деталей беспилотных летальных аппаратов.
1. Власов А.И., Гараев А.В., Захарова В.О., Селиванов К.В., Чернышов Д.Д. Методика профилизации беспилотных летательных аппаратов на основе аддитивных технологий // Надежность и качество сложных систем. 2023. № 4 (44). С. 95–110. DOI:https://doi.org/10.21685/2307-4205-2023-4-9. EDN FCSGIV
2. Григорьянц А.Г., Лутченко А.В. Современные проблемы развития аддитивных технологий в машиностроении // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2022. № 8 (134). С. 27–30. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2022-8-27-30. EDN CAWHSG
3. Торубаров И.С., Дроботов А.В., Гущин И.А., Вдовин Д.С., Плотников А.Л., Яковлев А.А. Аддитивное производство изделий с пространственным армированием непрерывным волокном // Frontier Materials & Technologies. 2022. № 2. 13 с. URL: https://www.vektornaukitech.ru/jour/article/view/429/401 (дата обращения: 10.05.2025). DOI:https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-2-92-104. EDN PCDAZE
4. Кулаков К.С., Крылов Ю.П., Красников В.И. Применение аддитивных технологий для прототипирования и изготовления составных частей БПЛА // Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. 2024. № 5–6 (191–192). С. 130–136. DOIhttps://doi.org/10.53816/23061456_2024_5-6_130. EDN YFSPQS
5. Навроцкий Р.А., Москвитин Г.В., Полежаев Э.Р. Исследование прочности элементов квадрокоптера, созданных по аддитивной технологии / В сборнике: XXXIV Международная инновационная конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения. Сборник трудов конференции. 2022. С. 319−325. EDN HRKJJY
6. Dams B., Chen B., Kaya Y.F., Shepherd P., Kovac M., Ball R.J. The rise of aerial additive manufacturing in construction: a review of material advancements // Frontiers in Materials 2025. Vol. 11. № 1458752. DOI:https://doi.org/10.3389/fmats.2024.1458752
7. Терещенко Т.С., Орехов А.А., Рабинский Л.Н. Исследование статических и динамических физико-механических характеристик стали, изготовленной методом послойного лазерного спекания // Труды МАИ. 2025. № 140. EDN SHCSDM
8. Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. М.: Химия. 1981. 271 с.
9. Avdeev A.R., Shvets A.A., Guschin I.A., Torubarov I.S., Drobotov A.V., Makarov A.M., Plotnikov A.L., Serdobintsev Y.P. Strength Increasing Additive Manufacturing Fused Filament Fabrication Technology, Based on Spiral Toolpath Material Deposition // Machines. 2019. Vol. 7, Issue 3. 18 p. URL: https://www.mdpi.com/2075-1702/7/3/57. DOI:https://doi.org/10.3390/machines7030057
10. Багмутов В.П., Захаров И.Н. Сопротивление материалов. Конспект лекций, тетрадь первая: учеб. пособие / ВолгГТУ. Волгоград, 2015. 91 с.
11. Савкин А.Н., Водопьянов В.И., Кондратьев О.В., Седов А.А. Основы расчетов на прочность и жесткость типовых элементов конструкций: учеб.-метод. пособие / ВолгГТУ. Волгоград, 2019. 252 с.
12. Михеев П.В., Муранов А.Н., Гусев С.А. Экспериментальное определение модуля межслоевого сдвига слоистого углепластика // Конструкции из композиционных материалов. 2015. № 4 (140). С. 46–50. EDN VOKSXD
