Аддитивные технологии для повышения прочностных и деформативных характеристик пластиковых шайб соединений деревянных конструкций

Введение

Одним из актуальных направлений в исследовании строительных структур является разработка узлов. Узловые соединения деревянных конструкций чаще всего выполняются с применением металлических связей, таких как вклеенные стержни, металлические зубчатые пластины, вклеенные плоские стержни, кольцевые шпонки, стальные шайбы [1–7] и др., которые вклеиваются или впрессовываются в деревянные элементы, обеспечивая передачу усилий от одного элемента к другому. Обладая достаточно высокой несущей способностью, металлические вкладыши в процессе эксплуатации подвержены коррозии, что вызывает необходимость проведения антикоррозионных мероприятий как в процессе эксплуатации, так и при изготовлении соединений.

На основе достоинств соединений на вклеенных стальных и стеклопластиковых шайбах [6][8][9] предложено коррозионностойкое соединение деревянных конструкций с применением вклеенных пластиковых шайб [10]. В основу предлагаемого соединения положена идея передачи сосредоточенного усилия, действующего на механические вкладыши на достаточно большую площадь по сравнению с размером самой связи. При этом вклеенные шайбы выполняются из коррозионностойкого материала. В качестве материала шайб приняты пластики REC Formax и REC Friction.

Главное отличие предложенного соединения от [6][8][9] заключается в применении аддитивных технологий для изготовления пластиковых шайб. Применение данной технологии позволяет моделировать и изготавливать шайбы с различными параметрами (диаметр, толщина, внутреннее отверстие) и характеристиками (рис. 1).

Для установления перспективности использования вклеенных пластиковых шайб проведены пилотные испытания [10], которые показали удовлетворительные результаты по сравнению с вклеенными стеклопластиковыми шайбами [8][9]. Но вместе с тем отмечена высокая пластичность шайб при нагружении образцов, что связано с пониженными значениями деформативных характеристик материала шайб. В связи с этим необходимо рассмотреть варианты повышения несущей способности вклеенных пластиковых шайб за счет увеличения деформативных показателей пластиков.

Далее представлены анализ результатов пилотных испытаний и варианты увеличения деформативных характеристик пластиковых шайб.

Проведение натурных испытаний и анализ результатов

Для натурных испытаний были изготовлены образцы с вклеенными шайбами. В качестве материала для печати шайб применялись композитные пластики REC Formax и REC Friction [10].

Изготовление шайб производится на 3D-принтере Picaso Designer X PRO с технологией печати Fused filament fabrication (FFF).

Испытания проводились до полного разрушения образцов. Разрушающая нагрузка (P_разр) образца 1 составила 65,0 кН, для образца 2 – 68,74 кН. График нарастания деформаций сдвига представлен на рис. 2.

Как видно из графика, деформации возникают в образце 1 при нагрузке 15,86 кН, в образце 2 – при нагрузке 10,08 кН. При дальнейшем нагружении наблюдается рост деформаций: образец 1 до нагрузки 28,16 кН и перемещениях 0,43 мм, образец 2 до нагрузки 43,10 кН и перемещениях 2,63 мм, что можно считать упругой работой и принять за несущую способность пары шайб. После чего мы наблюдаем перегиб на графике – происходит смятие шайб (без разрушения) и в работу включается древесина, что было отмечено при испытаниях (резкий треск в образцах). Очевидно, это связано с пониженными значениями прочности и модуля упругости пластиков. Далее наблюдаем значительный рост деформаций при увеличении нагрузки до полного разрушения образцов.

Как отмечено ранее, невысокие деформативные показатели пластиков REC Formax и REC Friction: модуль упругости при растяжении равен 3210 и 1800 МПа соответственно, что значительно ниже, чем у стеклотекстолита КАСТ-В 21000 МПа по основе и 17000 по утку по ГОСТ 10292-74 [11].

Несмотря на наличие армирующих волокон, пилотные испытания показали относительно высокую пластичность материалов, что связано в первую очередь с малой длиной армирующих волокон, а также с отсутствием их ориентации. В данном случае композитные волокна позволяют увеличить несущие характеристики и жесткость готового изделия по сравнению с аналогичным, выполненным только из материала матрицы данных пластиков (abs и pa12 соответственно), а также снизить объемную усадку при печати.

В связи с этим планируется испытать образцы с шайбами, изготовленными с использованием CFC-печати (continuous fiber coextrusion). Преимущество данной технологии заключается в создании армирования непрерывными волокнами, что позволяет значительно увеличить несущие характеристики. Высокие показатели армирующих волокон позволяют создавать детали с анизотропией и управлять ей в необходимых направлениях в структуре изделия. Печать на 3D-принтере позволяет полностью автоматизировать процесс армирования детали, тем самым обеспечивая одностадийный процесс производства.

Методы повышения прочностных и деформативных характеристик пластиковых шайб

Коэкструзия композитного волокна (CFC) – это процесс аддитивного производства для изготовления легких и прочных композитных деталей сложной формы и внутренней структуры. Процесс основан на внедрении композитного волокна в расплавленный пластик с помощью специально разработанной печатающей головки. Печатающая головка, показанная на рис. 3, включает два экструдера – пластиковый (FFF) и композитный (CFC). Композитный экструдер имеет два входа и одно сопло. Центральный вход предназначен для композитного материала, а боковые – для пластика. Композитное волокно проходит через центральный канал и покрывается расплавленным пластиком, подаваемым через боковой канал в блок экструдера.

Anisoprint Composer – аддитивное устройство для производства функциональных деталей из композитных материалов (рис. 4). За счет управляемой укладки армирующего волокна удается достичь высоких физико-механических характеристик изготавливаемой детали.

Композитное волокно с расплавленным пластиком послойно укладывается через сопло экструдера на рабочую поверхность. После печати нескольких слоев пластика принтер начнет печать периметров и заполнение композитного волокна. Таким образом формируется деталь, армированная композитным волокном. Эта технология позволяет производить высококачественные армированные изделия, используя при этом гибкость форм и широкий ассор­тимент пластиков.

Преимущества данной технологии включают повышенную прочность и жесткость изделий, а также возможность создавать сложные геометрические формы. Это находит применение в различных отраслях, включая авиацию, автомобилестроение, медицину и др.

Волокно может прокладываться по любым траекториям. Некоторые другие технологии, такие как, например, укладка ленты, не позволяют укладывать волокно под теми же углами и радиусом. Минимальный радиус окружности составляет 1,1 мм. Пример такой укладки показан на рис. 5.

Данная технология позволяет использовать различные пластики с температурой плавления до 270 °C. Можно использовать пластики ABS, PLA, PETG, PA и PC. Материал можно варьировать для достижения наилучших эксплуатационных или экономических параметров изделий в зависимости от поставленных целей.

В качестве армирующих волокон могут применятся углеродные, базальтовые и стеклянные волокна.

Углеродное волокно используется в тех случаях, когда нужна максимальная прочность. Его прочность сравнима с самыми прочными титановыми сплавами, но масса в три раза ниже. Примеры изделий с применением углеродного волокна показаны на рис. 6. Характеристики углеродного волокна представлены в табл. 1.

Базальтовое волокно характеризуется более низкой прочностью, однако является более доступным в экономическом плане. Это волокно было разработано в основном для использования в радиопрозрачных деталях, а также там, где не нужна большая жесткость. Представляет компромиссный вариант между прочностью и ценой. Примеры изделий с применением базальтового волокна показаны на рис. 7. Характеристики представлены в табл. 2.

Характеристики стекловолокна, пропитанного специальным полимерным составом, обеспечивающим качественную пропитку и адгезию между полимерами и волокном, представлены в табл. 3. Примеры изделий с применением стекловолокна показаны на рис. 8.

Процесс 3D-печати с армированием волокнами требует специального программного обеспечения и знаний, а также может потребовать настройки для оптимальных результатов в зависимости от конкретных потребностей проекта.

Для подготовки печати используется специализированное программное обеспечение (ПО) – слайсер Anisoprint Aura, который включает в себя весь набор настроек для печати композитами.

ПО позволяет подготовить 3D-модель для печати, оптимизировать и настроить схему армирования и объемную долю армирующего волокна в разных частях детали для усиления нагруженных участков.

Для увеличения деформативных характеристик пластиковых шайб на рис. 9 представлен вариант армирования, предложенный технологом 3D-печати компании Anisoprint.

Заключение

Предварительные испытания соединений деревянных конструкций с применением вклеенных пластиковых шайб показали удовлетворительные результаты. Однако отмечена пластичность шайб, что снижает несущую способность пары шайб. Рассмотрены методы повышения прочностных и деформативных характеристик пластиковых шайб путем применения аддитивных технологий, а именно – с использованием CFC-печати. За счет армирования непрерывными композитными волокнами планируется значительно увеличить жесткость и несущую способность шайб, а использование 3D-печати позволит на этапе проектирования элемента управлять параметрами, характеристиками и вариантами армирования изделия, тем самым обеспечивая рациональный расход материала.