Постооброблення виробів інженерного призначення, отриманих методами адитивного пошарового моделінгу
DOI:
https://doi.org/10.26642/ten-2025-1(95)-76-93Ключові слова:
адитивне виробництво, FDM, постоброблення, механічні властивості, напруження, моделювання, поверхневий шарАнотація
У статті досліджено вплив механічного постоброблення на геометричні та фізико-механічні характеристики виробів, виготовлених за допомогою адитивного пошарового моделювання (зокрема, FDM). Розглянуто механізми формування дефектного шару, що виникає внаслідок порожнистої, анізотропної структури матеріалу, а також температурних і силових навантажень. Для випадку моделювання створеної адитивними процесами заготовки необхідне врахування порожнистості тіла заготовки, а також її шаруватість та компонентність. На основі чисельного моделювання визначено напружено-деформований стан заготовки під час різання, особливості розподілу деформацій та напружень між волокнами та шарами. Досліджено вплив геометрії різального інструменту, режимів різання та особливостей структури PLA-матеріалу на якість обробленої поверхні. Проведено експериментальні випробування різних способів постоброблення: точіння, фрезерування, свердління, шліфування. Отримані результати підтверджують необхідність обмеження зусиль різання та використання гострозаточених інструментів. Запропоновано практичні рекомендації щодо оптимізації постобробки виробів FDM-друку. Зазначено перспективи подальших досліджень, зокрема в напрямі врахування реологічних властивостей матеріалів.
Посилання
DSTU ISO 4287:2012 Tekhnichni vymohy do heometrii vyrobiv (GPS). Struktura poverkhni. Profilnyi metod. Terminy, vyznachennia poniat i parametry struktury.
Abdullah, A.M., Tuan Rahim, T.N.A., Mohamad, D. et al. (2017), «Mechanical and physical properties of highly ZrO2 / β-TCP filled polyamide 12 prepared via fused deposition modelling (Fdm) 3D printer for potential craniofacial reconstruction application», Materials Letters, Vol. 189, рр. 307–309, doi: 10.1016/j.matlet.2016.11.052.
Dziura, V.O. and Marushchak, P.O. (2021), Tekhnolohichni metody zabezpechennia parametriv yakosti poverkhon til obertannia ta yikh profilometrychnyi kontrol, FOP Palianytsia V.A., Ternopil, 170 р.
Lay, M. et al. (2019), «Comparison of physical and mechanical properties of PLA, ABS and nylon 6 fabricated using fused deposition modeling and injection molding», Composites Part B: Engineering, Vol. 176, doi: 10.1016/j.compositesb.2019.107341.
Ramesh, M. and Panneerselvam, K. (2020), «Mechanical investigation and optimization of parameter selection for Nylon material processed by FDM», Materials Today: Proceedings, doi: 10.1016/j.matpr.2020.02.697.
Titarenko, O.V. (2008), «Zabezpechennia yakosti poverkhnevoho sharu na etapi napivchystovoi obrobky termoplastychnykh polimernykh materialiv», Abstract of Ph.D. dissertation, 05.03.01, Natsionalnyi tekhnichnyi un-t «Kharkivskyi politekhnichnyi in-t», Kh., 20 р.
Salenko, O.F., Shepelenko, I.V., Budar Mokhamed, R.F. et al. (2020), «Pidvyshchennia efektyvnosti obrobky kompozytsiinykh materialiv zastosuvanniam hibrydnoho instrumentu».
Choe, C.M., Yang, W.C., Kim, U.H. et al. (2022), «Manufacture of centrifugal compressor impeller using FDM and investment casting», The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 118, No. 1/2, pp. 173–181.
Michael, K., Servos, M., Stief, P. et al. (2018), «On achieving accuracy and efficiency in additive manufacturing: requirements on a hybrid CAM system», doi: 10.1016/j.procir.2018.03.265.
Hashmi, A.W., Mali, H.S. and Meena, A. (2021), «The Surface Quality Improvement Methods for FDM Printed Parts: A Review», in Dave, H.K., Davim, J.P. (ed.), Fused Deposition Modeling Based 3D Printing. Materials Forming, Machining and Tribology, Springer, Cham, doi: 10.1007/978-3-030-68024-4_9.
Castro-Casado, D. (2021), «Chemical treatments to enhance surface quality of FFF manufactured parts: a systematic review», Progress in Additive Manufacturing, Vol. 6, No. 2, pp. 307–319.
Gordelier, T.J., Thies, P.R., Turner, L. and Johanning, L. (2019), «Optimising the FDM additive manufacturing process to achieve maximum tensile strength: a state-of-the-art review», Rapid Prototyping Journal, Vol. 25, No. 6, pp. 953–971, doi: 10.1108/RPJ-07-2018-0183.
Tamburrino, F., Barone, S., Paoli, A. and Razionale, A.V. (2021), «Post-processing treatments to enhance additively manufactured polymeric parts: a review», Virtual and Physical Prototyping, Vol. 16, No. 2, pp. 218–251.
Singh, R. and Trivedi, A. (2017), «Experimental investigations for surface roughness and dimensional accuracy of FDM components with barrel finishing», Proce Academy of Sciences, India Section A: Physical Sciences, Vol. 87, No. 3, pp. 455–463.
Salenko, O., Dzhulii, D., Drahobetskyi, V. et al. (2023), «Damage Mechanisms of Multilayer Axisymmetric Shells Obtained by the FDM Method», in Ivanov, V., Pavlenko, I., Liaposhchenko, O. et al. (ed.), Advances in Design, Simulation and Manufacturing VI. DSMIE, Lecture Notes in Mechanical Engineering, Springer, Cham, doi: 10.1007/978-3-031-32774-2_27.
Gordeev, E.G., Galushko, A.S. and Ananikov, V.P. (2018), «Improvement of quality of 3D printed objects by elimination of microscopic structural defects in fused deposition modeling», PLoS ONE, Vol. 13 (6), doi: 10.1371/journal.pone.0198370.
Rendas, P. et al. (2023), «Improvement of tensile and flexural properties of 3D printed PEEK through the increase of interfacial adhesion», Journal of Manufacturing Processes, Vol. 93, рр. 260–274.
Verma, A., Kapil, A., Klobčar, D. and Sharma, A. (2023), «A Review on Multiplicity in Multi-Material Additive Manufacturing: Process, Capability, Scale, and Structure», Materials, Vol. 16, No. 15, doi: 10.3390/ma16155246.
Bisheh, M.N., Chang, S.I. and Lei, S. (2021), «A layer-by-layer quality monitoring framework for 3D printing», Computers & Industrial Engineering, Vol. 157, doi: 10.1016/j.cie.2021.107314.
Karakurt, I. and Lin, L. (2020), «3D printing technologies: techniques, materials, and post-processing», Current Opinion in Chemical Engineering, Vol. 28, рр. 134–143, doi: 10.1016/j.coche.2020.04.001.
Płatek, P., Rajkowski, K., Cieplak, K. et al. (2020), «Deformation Process of 3D Printed Structures Made from Flexible Material with Different Values of Relative Density», Polymers, Vol. 12, No. 9, doi: 10.3390/polym12092120.
Zhang, P., Liu, Z., Du, J. et al. (2020), «On machinability and surface integrity in subsequent machining of additivelymanufactured thick coatings: a review», Journal of Manufacturing Processes, Vol. 53, pp. 123–143.
Zagirnyak, M., Salenko, O., Alnusirat, W. et al. (2024), «Increasing the Strength of Thin-walled Products Obtained by FDM Using the Thin Surface Films», Przegląd Elektrotechniczny, Vol. 1 (3), рр. 291–294, doi: 10.15199/48.2024.03.52.
Hashmi, A.W., Mali, H.S. and Meena, A. (2023), «Improving the surface characteristics of additively manufactured parts: a review», Materials Today: Proceedings, Vol. 81, Part 2, рр. 723–738, doi: 10.1016/j.matpr.2021.04.223.
Oskolkov, A.A., Bezukladnikov, I.I. and Trushnikov, D.N. (2023), «Mathematical Model of the Layer-by-Layer FFF/FGF Polymer Extrusion Process for Use in the Algorithm of Numerical Implementation of Real-Time Thermal Cycle Control», Polymers, Vol. 15, doi: 10.3390/polym15234518.
Roy, S. et al. (2024), «Combined thermal and particle shape effects on powder spreading in additive manufacturing via discrete element simulations», Powder Technology, Vol. 445.
Subramani, R., Mustafa, M.A., Ghadir, G.K. et al. (2024), «Advancements in 3D printing materials: A comparative analysis of performance and applications», Applied Chemical Engineering, Vol. 7, No. 2.
Hozdić, E. (2024), «Characterization and Comparative Analysis of Mechanical Parameters of FDM- and SLA-Printed ABS Materials», Applied Sciences, Vol. 14, No. 2, doi: 10.3390/app14020649.
Papazoglou, E.L., Karkalos, N.E., Karmiris-Obratański, P. et al. (2022), «On the Modeling and Simulation of SLM and SLS for Metal and Polymer Powders: A Review», Arch Computat Methods Eng, Vol. 29, рр. 941–973, doi: 10.1007/s11831-021-09601-x.
Salenko, O., Zagirnyak, M., Orel, V. et al. (2022), «FDM Products Strength Increasing Using the Algorithmic Means of 3-D Printers Working», IEEE 4th International Conference on Modern Electrical and Energy System (MEES), Kremenchuk, pp. 1–5, doi: 10.1109/MEES58014.2022.100056.
Charalampous, P., Kostavelis, I., Kontodina, T. and Tzovaras, D. (2021), «Learning-based error modeling in FDM 3D printing process», Rapid Prototyping Journal, Vol. 27, No. 3, pp. 507–517, doi: 10.1108/RPJ-03-2020-0046.
Syrlybayev, D., Zharylkassyn, B., Seisekulova, A. et al. (2021), «Optimisation of Strength Properties of FDM Printed Parts – A Critical Review», Polymers, Vol. 13, No. 10, doi: 10.3390/polym13101587.
Puerta, A.P.V., Lopez-Castro, J.D., López, A.O. and Vidal, S.R.F. (2021), «On improving the surface finish of 3D printing polylactic acid parts by corundum blasting», Rapid Prototyping Journal, Vol. 7, pp. 1398–1407, doi: 10.1108/ RPJ-05-2021-0105.
Salenko, O., Orel, V., Habuzian, H. et al. (2023), «Vplyv temperatury ekstrudovanoho filamentu na parametry mitsnosti tonkostinnykh vyrobiv», Prohresyvna tekhnika, tekhnolohiia ta inzhenerna osvita, materialy naukovo-tekhnichnoi konferentsii, No. XXIII, рр. 185–189, doi: 10.20535/2409-7160.2023.XXIII.278904.
Hashmi, A.W., Mali, H.S. and Meena, A. (2018), «Surface finish effects using coating method on 3D printing (FDM) parts», IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 318, No. 1, doi: 10.1088/1757-899X/318/1/012065.
Список використаної літератури:
Технічні вимоги до геометрії виробів (GPS). Структура поверхні. Профільний метод. Терміни, визначення понять і параметри структури : ДСТУ ISO 4287:2012.
Mechanical and physical properties of highly ZrO2 / β-TCP filled polyamide 12 prepared via fused deposition modelling (Fdm) 3D printer for potential craniofacial reconstruction application / A.M. Abdullah, T.N.A. Tuan Rahim, D.Mohamad and other // Materials Letters. – 2017. – Vol. 189. – Р. 307–309. DOI: 10.1016/j.matlet.2016.11.052.
Дзюра В.О. Технологічні методи забезпечення параметрів якості поверхонь тіл обертання та їх профілометричний контроль / В.О. Дзюра, П.О. Марущак. – Тернопіль : ФОП Паляниця В.А., 2021. – 170 с.
Comparison of physical and mechanical properties of PLA, ABS and nylon 6 fabricated using fused deposition modeling and injection molding / M.Lay and other // Composites Part B: Engineering. – 2019. – Vol. 176. DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.107341.
Ramesh M. Mechanical investigation and optimization of parameter selection for Nylon material processed by FDM / M.Ramesh, K.Panneerselvam // Materials Today: Proceedings. – 2020. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.02.697.
Тітаренко О.В. Забезпечення якості поверхневого шару на етапі напівчистової обробки термопластичних полімерних матеріалів : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.03.01 / О.В. Тітаренко ; Національний технічний ун-т «Харківський політехнічний ін-т». – Х., 2008. – 20 с.
Підвищення ефективності обробки композиційних матеріалів застосуванням гібридного інструменту / О.Ф. Саленко, І.В. Шепеленко, Р.Ф. Будар Мохамед та ін. – 2020.
Manufacture of centrifugal compressor impeller using FDM and investment casting / C.M. Choe, W.C. Yang, U.H. Kim and other // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2022. – Vol. 118, № 1/2. – Р. 173–181.
On achieving accuracy and efficiency in additive manufacturing: requirements on a hybrid CAM system / K.Michael, M.Servos, P.Stief and other. – 2018. DOI: 10.1016/j.procir.2018.03.265.
Hashmi A.W. The Surface Quality Improvement Methods for FDM Printed Parts: A Review / A.W. Hashmi, H.S. Mali, A.Meena // Fused Deposition Modeling Based 3D Printing. Materials Forming, Machining and Tribology ; in H.K. Dave, J.P. Davim (eds). – Cham : Springer, 2021. DOI: 10.1007/978-3-030-68024-4_9.
Castro-Casado D. Chemical treatments to enhance surface quality of FFF manufactured parts: a systematic review / D.Castro-Casado // Progress in Additive Manufacturing. – 2021. – Vol. 6, № 2. – Р. 307–319.
Optimising the FDM additive manufacturing process to achieve maximum tensile strength: a state-of-the-art review / T.J. Gordelier, P.R. Thies, L.Turner, L.Johanning // Rapid Prototyping Journal. – 2019. – Vol. 25, No. 6. – Р. 953–971. DOI: 10.1108/RPJ-07-2018-0183.
Post-processing treatments to enhance additively manufactured polymeric parts: a review / F.Tamburrino, S.Barone, A.Paoli, A.V. Razionale // Virtual and Physical Prototyping. – 2021. – Vol. 16, № 2. – Р. 218–251.
Singh R. Experimental investigations for surface roughness and dimensional accuracy of FDM components with barrel finishing / R.Singh, A.Trivedi // Proce Academy of Sciences, India Section A: Physical Sciences. – 2017. – Vol. 87, № 3. – Р. 455–463.
Damage Mechanisms of Multilayer Axisymmetric Shells Obtained by the FDM Method / O.Salenko, D.Dzhulii, V.Drahobetskyi and other // Advances in Design, Simulation and Manufacturing VI. DSMIE 2023 : Lecture Notes in Mechanical Engineering ; in V.Ivanov, I.Pavlenko, O.Liaposhchenko and other (eds). – Cham : Springer, 2023. DOI: 10.1007/978-3-031-32774-2_27.
Gordeev E.G. Improvement of quality of 3D printed objects by elimination of microscopic structural defects in fused deposition modeling / E.G. Gordeev, A.S. Galushko, V.P. Ananikov // PLoS ONE. – 2018. – Vol. 13 (6). DOI: 10.1371/journal.pone.0198370.
Improvement of tensile and flexural properties of 3D printed PEEK through the increase of interfacial adhesion / P.Rendas and other // Journal of Manufacturing Processes. – 2023. – Vol. 93. – Р. 260–274.
A Review on Multiplicity in Multi-Material Additive Manufacturing: Process, Capability, Scale, and Structure / A.Verma, A.Kapil, D.Klobčar, A.Sharma // Materials. – 2023. – Vol. 16, No. 15. DOI: 10.3390/ma16155246.
Bisheh M.N. A layer-by-layer quality monitoring framework for 3D printing / M.N. Bisheh, S.I. Chang, S.Lei // Computers & Industrial Engineering. – 2021. – Vol. 157. DOI: 10.1016/j.cie.2021.107314.
Karakurt I. 3D printing technologies: techniques, materials, and post-processing / I.Karakurt, L.Lin // Current Opinion in Chemical Engineering. – 2020. – Vol. 28. – P. 134–143. DOI: 10.1016/j.coche.2020.04.001.
Deformation Process of 3D Printed Structures Made from Flexible Material with Different Values of Relative Densit / P.Płatek, K.Rajkowski, K.Cieplak and other // Polymers. – 2020. – Vol. 12, № 9. DOI: 10.3390/polym12092120.
On machinability and surface integrity in subsequent machining of additivelymanufactured thick coatings: a review / P.Zhang, Z.Liu, J.Du and other // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 53. – Р. 123–143.
Increasing the Strength of Thin-walled Products Оbtained by FDM Using the Thin Surface Films / M.Zagirnyak, O.Salenko, W.Alnusirat and other // Przegląd Elektrotechniczny. – 2024. – Vol. 1 (3). – Р. 291–294. DOI: 10.15199/48.2024.03.52.
Hashmi A.W. Improving the surface characteristics of additively manufactured parts: a review / A.W. Hashmi, H.S. Mali, A.Meena // Materials Today: Proceedings. – 2023. – Vol. 81, Part 2. – P. 723–738. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.04.223.
Oskolkov A.A. Mathematical Model of the Layer-by-Layer FFF/FGF Polymer Extrusion Process for Use in the Algorithm of Numerical Implementation of Real-Time Thermal Cycle Control / A.A. Oskolkov, I.I. Bezukladnikov, D.N. Trushnikov // Polymers. – 2023. – Vol. 15. DOI: 10.3390/polym15234518.
Combined thermal and particle shape effects on powder spreading in additive manufacturing via discrete element simulations / S.Roy and other // Powder Technology. – 2024. – Vol. 445.
Advancements in 3D printing materials: A comparative analysis of performance and applications / R.Subramani, M.A. Mustafa, G.K. Ghadir and other // Applied Chemical Engineering. – 2024. – Vol. 7, № 2.
Hozdić E. Characterization and Comparative Analysis of Mechanical Parameters of FDM- and SLA-Printed ABS Materials / E.Hozdić //Applied Sciences. – 2024. – Vol. 14, № 2. DOI: 10.3390/app14020649.
On the Modeling and Simulation of SLM and SLS for Metal and Polymer Powders: A Review / E.L. Papazoglou, N.E. Karkalos, P.Karmiris-Obratański and other // Arch Computat Methods Eng. – 2022. – Vol. 29. – Р. 941–973. DOI: 10.1007/s11831-021-09601-x.
FDM Products Strength Increasing Using the Algorithmic Means of 3-D Printers Working / O.Salenko, M.Zagirnyak, V.Orel and other // IEEE 4th International Conference on Modern Electrical and Energy System (MEES). – Kremenchuk, 2022. – Р. 1–5. DOI: 10.1109/MEES58014.2022.100056.
Learning-based error modeling in FDM 3D printing process / P.Charalampous, I.Kostavelis, T.Kontodina, D.Tzovaras // Rapid Prototyping Journal. – 2021. – Vol. 27, No. 3. – Р. 507–517. DOI: 10.1108/RPJ-03-2020-0046.
Optimisation of Strength Properties of FDM Printed Parts – A Critical Review / D.Syrlybayev, B.Zharylkassyn, A.Seisekulova and other // Polymers. – 2021. – Vol. 13, № 10. DOI: 10.3390/polym13101587.
On improving the surface finish of 3D printing polylactic acid parts by corundum blasting / A.P.V. Puerta, J.D. Lopez-Castro, A.O. López, S.R.F. Vidal // Rapid Prototyping Journal. – 2021. – Vol. 7. – Р. 1398–1407. DOI: 10.1108/ RPJ-05-2021-0105.
Вплив температури екструдованого філаменту на параметри міцності тонкостінних виробів / О.Саленко, В.Орел, Г.Габузян // Прогресивна техніка, технологія та інженерна освіта : матеріали науково-технічної конференції. – 2023. – № XXIII. – Р. 185–189. DOI: 10.20535/2409-7160.2023.XXIII.278904.
Hashmi A.W. Surface finish effects using coating method on 3D printing (FDM) parts / A.W. Hashmi, H.S. Mali, A.Meena // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 318, № 1. DOI: 10.1088/1757-899X/318/1/012065.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Вадим Миколайович Орел, Тетяна Федорівна Козловська, Олександр Федорович Саленко, Петро Петрович Мельничук
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автор, який подає матеріали до друку, зберігає за собою всі авторські права та надає відповідному виданню право першої публікації, дозволяючи розповсюджувати даний матеріал із зазначенням авторства та джерела первинної публікації, а також погоджується на розміщення її електронної версії на сайті Національної бібліотеки ім. В.І. Вернадського.
