АНАЛІЗ ТЕХНОЛОГІЙ МЕХАНІЧНОЇ ОБРОБКИ ДЕТАЛЕЙ АДИТИВНОГО ВИРОБНИЦТВА В ІНЖЕНЕРНИХ СИСТЕМАХ
DOI:
https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2025.3.1.24Ключові слова:
адитивне виробництво, FDM, механічна обробка, якість поверхні, шорсткість, міжшарова адгезія, концентрація напружень, розшаруванняАнотація
У даній роботі наведено результати аналізу науково-літературних джерел та існуючих технологій механічної обробки деталей, виготовлених методом адитивного виробництва, зокрема моделювання плавленим осадженням (FDM). Недостатня якість поверхні та низька точність геометричних розмірів є одними з ключових проблем, що обмежують застосування 3D-друкованих компонентів у високотехнологічних галузях, Тому розробка ефективних методів постобробки є актуальним напрямом для інтеграції адитивного виробництва в інженерні системи. Механічна обробка (фрезерування, точіння, шліфування) розглядається як перспективний підхід для вирішення цієї проблеми, оскільки дозволяє значно підвищити точність розмірів, якість поверхні та покращити такі функціональні характеристики, як зносостійкість і втомна міцність. Встановлено, що процес механічної обробки FDM-виробів має суттєві особливості, пов’язані з їхньою шаруватою структурою та анізотропією механічних властивостей. На відміну від суцільних матеріалів, у 3D-друкованих деталях найслабшим місцем є міжшарові з’єднання, що створює ризик розшарування (деламінації) під дією ріжучого інструменту, особливо при обробці перпендикулярно до шарів. Іншими важливими факторами є концентрація напружень у вузлах контакту між волокнами та тепловий вплив, який може ослаблювати адгезійні зв’язки. Існуючі альтернативні методи, як-от хімічне згладжування, хоча й ефективні для покращення поверхні, можуть призводити до значного (32–35 %) зниження міцності деталей. Згідно з проведеним аналізом, для забезпечення прогнозованої якості обробки та збереження цілісності виробу запропоновано підхід, що базується на математичному моделюванні процесу лезового різання. Модель враховує шарувату структуру матеріалу, сили міжшарової адгезії, розподіл нормальних та зсувних напружень, а також температурну залежність міцності з’єднань. Вибір оптимальних параметрів обробки (подача, глибина різання, швидкість) має ґрунтуватися на умові, за якої напруження зрізу матеріалу не перевищуватимуть міцність міжшарових зв’язків, що дозволить уникнути дефектів та забезпечити надійність кінцевого продукту.
Посилання
Guo, C., Liu, X., & Liu, G. (2021). Surface finishing of fdm-fabricated amorphous polyetheretherketone and its carbon-fiber-reinforced composite by dry milling. Polymers, 13(13), 2175. https://doi.org/10.3390/polym13132175
Bekas, D. G., Hou, Y., Liu, Y., & Panesar, A. J. C. P. B. E. (2019). 3D printing to enable multifunctionality in polymer-based composites: A review. Composites Part B: Engineering, 179, 107540.
Chen, T. C. T., & Lin, Y. C. (2019). A three-dimensional-printing-based agile and ubiquitous additive manufacturing system. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 55, 88–95., https://doi.org/10.1016/j.rcim.2018.07.008
Mohanavel, V., Ali, K. A., Ranganathan, K., Jeffrey, J. A., Ravikumar, M. M., & Rajkumar, S. J. M. T. P. (2021). The roles and applications of additive manufacturing in the aerospace and automobile sector. Materials Today: Proceedings, 47, 405–409. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.04.596
Орел В. М., Козловська Т. Ф., Саленко О. Ф., Мельничук П. П. Постооброблення виробів інженерного призначення, отриманих методами адитивного пошарового моделінгу. Технічна інженерія. 2025 №1(95). С. 76–93. https://doi.org/10.26642/ten-2025-1(95)-76-93
Guo, C., Liu, X., & Liu, G. (2021). Surface finishing of fdm-fabricated amorphous polyetheretherketone and its carbon-fiber-reinforced composite by dry milling. Polymers, 13, 2175. https://doi.org/10.3390/polym13132175
Bruni, C., Gianangeli, C., Mancia, T., Greco, L., & Pieralisi, M. (2020, April). Improving dimensional and surface quality of additive manufactured parts. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1507, No. 4, p. 042003). IOP Publishing. DOI 10.1088/1742-6596/1507/4/042003
Salenko, A. F., Derevianko, I. I., Samusenko, A. A., Avramov, K. V., Lithot, A. V., & Rogulin, V. V. (2021). Creation of sealed strong structures of rocket and space equipment FDM printing methods by ULTEM™ 9085 PEI plastic. Mechanics and Advanced Technologies. No. 3. 282–293.
Salenko, O., Zagirnyak, M., Orel, V., Shlyk, S., & Kulynych, V. (2022, October). FDM products strength increasing using the algorithmic means of 3-D printers working. In 2022 IEEE 4th International Conference on Modern Electrical and Energy System (MEES) (pp. 01–05). IEEE. doi:10.1109/MEES58014.2022.10005667
Borthakur, P. P. (2025). The Role and Future Directions of 3D Printing in Custom Prosthetic Design. Engineering Proceedings, 81(1), 10. https://doi.org/10.3390/engproc2024081010
Górski, F., Wichniarek, R., Kuczko, W., & Żukowska, M. (2021). Study on properties of automatically designed 3d-printed customized prosthetic sockets. Materials, 14(18), 5240. https://doi.org/10.3390/ma14185240
Darwish, L. R., El-Wakad, M. T., & Farag, M. M. (2021). Towards sustainable industry 4.0: A green real-time IIoT multitask scheduling architecture for distributed 3D printing services. Journal of Manufacturing Systems, 61, 196–209., https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2021.09.004
Gómez-Ortega, A., Piedra, S., Mondragón-Rodríguez, G. C., & Camacho, N. (2024). Dependence of the mechanical properties of nylon-carbon fiber composite on the FDM printing parameters. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 186, 108419. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2024.108419
Patel, K. S., Shah, D. B., Joshi, S. J., Aldawood, F. K., & Kchaou, M. (2024). Effect of process parameters on the mechanical performance of FDM printed carbon fiber reinforced PETG. Journal of Materials Research and Technology, 30, 8006-8018. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.05.184
Fazzini, G., Paolini, P., Paolucci, R., Chiulli, D., Barile, G., Leoni, A.,... & Ferri, G. (2019, June). Print on air: Fdm 3d printing without supports. In 2019 II Workshop on Metrology for Industry 4.0 and IoT (MetroInd4. 0&IoT) (pp. 350–354). IEEE. doi: 10.1109/METROI4.2019.8792846
Wall, L. W., Schneider, O., & Vogel, D. (2023, October). Substiports: User-Inserted Ad Hoc Objects as Reusable Structural Support for Unmodified FDM 3D Printers. In Proceedings of the 36th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology (pp. 1–20). https://doi.org/10.1145/3586183.3606718
Gao, T., Li, C., Yang, M., Zhang, Y., Jia, D., Ding, W.,... & Wang, J. (2021). Mechanics analysis and predictive force models for the single-diamond grain grinding of carbon fiber reinforced polymers using CNT nano-lubricant. Journal of Materials Processing Technology, 290, 116976. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116976
Aman, B. (2020). Generative design for performance enhancement, weight reduction, and its industrial implications. arXiv preprint arXiv:2007.14138., https://doi.org/10.1016/j.coche.2020.04.001
Hashmi, A. W., Mali, H. S., Meena, A., Ahmad, S., & Tian, Y. (2023). A novel eco-friendly abrasive media based abrasive flow machining of 3D printed PLA parts using IGWO and ANN. Rapid Prototyping Journal, 29(10), 2019–2038. https://doi.org/10.1007/s11223-021-00281-3
Kechagias, J., & Zaoutsos, S. (2024). Effects of 3D-printing processing parameters on FFF parts’ porosity: Outlook and trends. Materials and Manufacturing Processes, 39(6), 804–814
Hashmi, A. W., Mali, H. S., Meena, A., Ahmad, S., & Tian, Y. (2023). A novel eco-friendly abrasive media based abrasive flow machining of 3D printed PLA parts using IGWO and ANN. Rapid Prototyping Journal, 29(10), 2019–2038. https://doi.org/10.1108/RPJ-04-2023-0136
Karimi, N., Bozorgnia Tabary, S. A. A., & Fayazfar, H. (2024). In‐depth investigation and industry plan for enhancing surface finishing of 3D printed polymer composite components: A critical review. Journal of Applied Polymer Science, 141(24), e55494.. https://doi.org/10.1002/app.55494
Комісаров О. О., Пухальська Г. В., Дядя С. І. Пост-обробка деталей фрезеруванням на верстаті з ЧПК після 3D друку методом наплавлення. Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. 2024. № 1. С. 31–40.
Dilberoglu, U. M., Yaman, U., & Dolen, M. (2024). A comprehensive guide to milling techniques for smoothing the surfaces of 3D-printed thermoplastic parts. Rapid Prototyping Journal, 30(8), 1648–1662. https://doi.org/10.1108/RPJ-08-2023-0277
Nabavi-Kivi, A., Ayatollahi, M. R., Schmauder, S., & Khosravani, M. R. (2023). Fracture analysis of a 3D-printed ABS specimen: effects of raster angle and layer orientation. Physical Mesomechanics, 26(1), 19-32. https://doi.org/10.1134/S1029959923010034
Wang, L., Han, J., Tang, Z., Zhang, Y., Wang, D., & Li, X. (2025). Geometric Accuracy Design of High Performance CNC Machine Tools: Modeling, Analysis, and Optimization. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 38(1), 87.https://doi.org/10.1186/s10033-025-01258-y
Psarommatis, F., & Azamfirei, V. (2023). Customized quality inspection cycles for achieving sustainable manufacturing in the era of Zero Defect Manufacturing. Procedia CIRP, 120, 141–146., https://doi.org/10.1016/j.procir.2023.08.026
Psarommatis, F., & Azamfirei, V. (2024). Zero Defect Manufacturing: A complete guide for advanced and sustainable quality management. Journal of Manufacturing Systems, 77, 764–779. https://doi.org/10.1080/00207543.2021.1987551
Carta, M., Loi, G., El Mehtedi, M., Buonadonna, P., & Aymerich, F. (2025). Improving Surface Roughness of FDM-Printed Parts Through CNC Machining: A Brief Review. Journal of Composites Science, 9(6), 296. https://doi.org/10.3390/jcs9060296
Kantaros, A., Ganetsos, T., Petrescu, F. I. T., Ungureanu, L. M., & Munteanu, I. S. (2024). Post-production finishing processes utilized in 3D printing technologies. Processes, 12(3), 595.. https://doi.org/10.3390/pr12030595
Arunprasand, T. R., & Nallasamy, P. (2024). Advancements in optimizing mechanical performance of 3D printed polymer matrix composites via microstructural refinement and processing enhancements: A comprehensive review. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 1–19. https://doi.org/10.1080/15376494.2024.2426776
Orel, V. M., Kashuba, S., Yatsina, M. M., & Mazur, V. H. (2024). To the Question of Design and Manufacturing of Special Equipment for Mechanism of Pneumatic Power Receiving Mechanism. In Applications of Synthetic High Dimensional Data (pp. 222–237). IGI Global Scientific Publishing.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
