Strukturní tělesa s odolností vůči dynamickému zatížení

Ing. Jan Strnad

Doctoral thesis

Structural Test Specimens with Resistance to Dynamic Force Loading

Abstract:

Práce je zaměřena na rázovou odolnost strukturních zkušebních těles z materiálu ASA (akrylonitrilstyren) a z dalších plněných materiálů. První skupinu tvoří strukturní tělesa s průchozími otvory a druhou skupinou jsou pak strukturní tělesa s vnitřními dutinami. Tyto struktury byly navrhnuty v softwaru Catia a byly vyrobeny pomocí technologií FFF (Fused Filament Fabrication), což je jedna z nejrozšířenějších aditivních metod. Tato technologie 3D tisku umožňuje navrhovat složitější součásti a je tedy ideální pro výrobu těchto prototypů. Cílem bylo získat strukturní tělesa s větší odolností vůči působení padostroje, než těleso o plném objemu materiálu. Všechna strukturní tělesa mají o 35 % menší objem oproti plnému tělesu, přičemž základní rozměry zkušebních těles jsou stejné. Pro tuto zkoušku byl použit padostroj Zwick Roell HIT230F. Hodnotícím kritériem zde byly maximální síly a energie potřebné k proražení zkušebního tělesa. Po zatěžování těles na padostroji byly díky mikroskopu Keyence přeměřeny skutečné hodnoty vnitřních dutin, kde byly pojmenovány určité nepřesnosti při výrobě, které vznikají především nastavenou výškou vrstev a uzavřením kruhových trajektorií při pohybu vytlačovací trysky. Také byla naměřena skutečná výška jednotlivých vrstev. V další části výzkumu bylo zvoleno několik nejnovějších plněných materiálů pro zhotovení zkušebních těles na zkoušku Charpyho kladivem, kde bylo cílem porovnat materiály mezi sebou a z nejodolnějšího materiálu na rázovou a vrubovou houževnatost vyrobit zkušební těleso, které by odolalo nejvyšším hodnotám sil a energii při zatížení na padostroji. Na základě vyhodnocení zkoušky rázové a vrubové houževnatosti byly zvoleny materiály Nylon AF80 a materiál s označením PC-CF k výrobě strukturních těles. Na základě těchto experimentů bylo prokázáno, že strukturní tělesa dosáhly vyšším odolnostem než plný materiál. Jediný zástupce struktur s průchozími otvory, který dosahoval vyšších odolností než plný materiál, byla struktura s průchozími kruhovými otvory. Zatímco v případě strukturních těles s vnitřními dutinami dosahovaly vyšším odolnostem jak těleso s kulovými dutinami, tak těleso s kuželovými dutinami. Přínosem je tedy úspora materiálu při výrobě těles odolných vůči tomuto zatěžování. Dále bylo zjištěno, že materiálový pohled u strukturního vzorku z hlediska konkrétních plněných materiálů Nylon AF80 a PC-CF nemá zásadní vliv na odolnost strukturních těles vůči zatížení na padostroji, hodnoty plněných materiálů zde nedosahovaly statisticky významných rozdílů oproti materiálu ASA.

Abstract:

The work is focused on the impact resistance of structural test specimens made of ASA (acrylonitrile styrene) and other filled materials. The first group consists of structural bodies with through holes and in the second group are structural bodies with internal cavities. These structures were designed in Catia V5R19 software and they were manufactured using FFF (Fused Filament Fabrication) technologies, one of the most widespread additive methods. This 3D printing technology makes it possible to design more demanding parts, therefore it is ideal for the production of these prototypes. The goal was to obtain structural bodies with greater resistance due to drop tester than a body with a full volume of material. All structural bodies have smaller volume by 30 % compared to a full body, while the outer dimensions of the test bodies are the same. A Zwick Roell HIT230F drop weight tester was used in this work. The evaluation criteria were the maximum forces and energy required to break through the test body. After loading the bodies on the drop tester, the actual values of the internal cavities were remeasured using the Keyence microscope. Thanks to this microscope, certain inaccuracies during production were revealed, i.e. an inappropriate set height of the layers and the closure of circular trajectories during the movement of the extrusion nozzle. The actual height of the individual layers was also measured. In the next part of the research, several of the latest filled materials were chosen for the production of test bodies for the Charpy hammer test, where the aim was to compare the materials with each other. A test specimen from the most resistant material with the best results for impact and notch strength testing, was subsequently tested for the highest values of forces and energy drop weight tester. Based on the evaluation of the impact and notch toughness tests, the materials Nylon AF80 and the material marked PC-CF were chosen to produce the structural bodies. Based on these experiments, it was proven that the structural bodies achieved a higher resistance than the full material. The only representative of structures with through holes, which achieved higher resistances than full material, was the structure with through circular holes. While in the case of structural bodies with internal cavities, both the body with spherical cavities and the body with conical cavities achieved higher resistance. The benefit for using bodies with cavities is the saving of material in the production of pieces resistant to this drop tester. Furthermore, it was found that the material of the structural sample in terms of the specific filled materials Nylon AF80 and PC-CF does not have a significant effect on the resistance of the structural bodies to the load drop tester, because the values of the filled materials did not reach statistically significant differences compared to the ASA material.

Keywords

3D tisk, FFF technologie, rázová zkouška, zkouška houževnatosti, mechanické vlastnosti, zkušební těleso, vnitřní struktury, deformace, síla, energie

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 30. 6. 2023

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Process Engineering / Tools and Processes