Kod FDM 3D printanja odabir materijala nije jedina odluka koja utiče na mehanička svojstva dijela. Unutrašnja ispuna može smanjiti utrošak materijala i vrijeme izrade, ali mijenja i odgovor epruvete na zatezno opterećenje. U radu Dr. Adija Pandžića iz 2022. godine upoređeni su PETG, ASA i PLA-Strongman pri pet različitih gustina ispune.
Ključni nalazi
- Ispitano je 75 epruveta: pet ponavljanja za svaki od tri materijala i pet gustina ispune.
- Pri 100% gustini ispune PETG je imao najveću zateznu čvrstoću, 49,84 MPa, a PLA-Strongman najnižu, 31,62 MPa.
- Zatezna čvrstoća rasla je s povećanjem gustine ispune kod sva tri materijala.
- Modul elastičnosti rastao je s gustinom ispune; kod uzoraka s ispunom najveće vrijednosti uglavnom je imao PLA-Strongman.
- Pri 100% gustini ispune izmjereno izduženje pri lomu bilo je veće nego kod uzoraka s ispunom: 6,88% za PETG, 6,10% za ASA i 5,94% za PLA-Strongman.
- ASA je pri 100% gustini ispune imala najveću zateznu čvrstoću pri lomu, 29,70 MPa.
Zašto je važna gustina ispune
Aditivna proizvodnja omogućava izradu dijelova sloj po sloj, a FDM postupak nanosi zagrijani filament kroz mlaznicu. Za razliku od potpuno ispunjenog komada, dio s ispunom ima unutrašnju strukturu koja zauzima samo dio njegove zapremine. Gustina ispune opisuje koliki je udio te unutrašnjosti ispunjen materijalom. U ovom radu korišten je trouglasti uzorak ispune, a poređeni su uzorci s gustinom od 20%, 40%, 60%, 80% i 100%.
Za inženjere i produkt dizajnere ova postavka predstavlja kompromis: manja gustina može smanjiti masu i potrošnju filamenta, dok gušća ispuna može povećati izmjerenu zateznu čvrstoću i modul elastičnosti. Međutim, konkretan učinak zavisi od materijala i svojstva koje se posmatra. Zbog toga se rezultati ispitivanja ne mogu svesti na jedno pravilo prema kojem je određena gustina najbolja za svaki dio.
Materijali i eksperimentalna postavka
U radu su ispitivani PETG, ASA i PLA-Strongman, koji se u radu označava kao PLAs. Svi filamenti bili su istog proizvođača, AzureFilm, i prečnika 2,85 mm. Epruvete od PETG-a i ASA-e bile su crne, a epruvete od PLA-Strongmana bijele. U radu se navodi da boja može uticati na mehanička svojstva, pa je zabilježena kao dio opisa materijala.
Model epruvete izrađen je prema standardu ISO 527-2. Epruvete su printane na FDM 3D printeru Ultimaker S3, a priprema G-koda i postavki obavljena je u programu Cura. Visina sloja bila je 0,15 mm, uz trouglasti uzorak ispune. Temperatura printanja iznosila je 240 °C za PETG i ASA, odnosno 200 °C za PLA-Strongman. Temperatura podloge bila je 85 °C za PETG, 80 °C za ASA i 60 °C za PLA-Strongman. Brzina printanja bila je 60 mm/s za PETG i ASA, a 70 mm/s za PLA-Strongman. Brzina ventilatora bila je 20%, 10% i 100%, tim redom.
Za svaki materijal i svaku gustinu ispune napravljeno je pet ponavljanja. Ukupno 75 epruveta ispitano je na univerzalnoj mašini Shimadzu AGS-X, maksimalnog opterećenja 10 kN. Ispitivanje na zatezanje provedeno je prema standardu ISO 527-1, brzinom od 5 mm/min. Praćeni su zatezna čvrstoća, granica tečenja, zatezna čvrstoća pri lomu, modul elastičnosti i deformacija pri lomu.
Šta pokazuju rezultati
Zatezna čvrstoća pokazala je najjasniji trend: rasla je s povećanjem gustine ispune kod sva tri materijala. Za PETG je porasla sa 35,88 MPa pri 20% na 49,84 MPa pri 100%. Za ASA je vrijednost porasla sa 29,56 MPa na 37,70 MPa, a za PLA-Strongman sa 24,96 MPa na 31,62 MPa. PETG je imao najveću zateznu čvrstoću pri svim ispitanim gustinama, dok je PLA-Strongman imao najnižu.
Upoređujući gustine ispune od 20% i 100%, u radu se navodi da je zatezna čvrstoća PETG-a porasla do 39%. Prema vrijednostima prikazanim u tabeli, rast je iznosio do 28% za ASA-u i do 27% za PLA-Strongman. Ako se posmatra samo raspon od 20% do 80%, u radu se izvještava o porastu do 14% za PETG, 8% za ASA i 14% za PLA-Strongman. ASA je bila izuzetak od očekivanog ravnomjernog trenda pri manjim gustinama: rezultat za 20% bio je viši nego za 40% i 60%. U radu se naglašava da razlika nije bila veća od 6,5% i predlaže se ponavljanje tog ispitivanja.
Granica tečenja nije rasla ravnomjerno. Pri 100% gustini iznosila je 38,80 MPa za PETG, 31,34 MPa za ASA i 26,54 MPa za PLA-Strongman. Modul elastičnosti se, za razliku od granice tečenja, povećavao s gustinom ispune. Pri 100% gustini vrijednosti su bile 2,10 GPa za PETG, 1,98 GPa za ASA i 2,10 GPa za PLA-Strongman. Kod uzoraka s ispunom PLA-Strongman je uglavnom pokazivao najveći modul elastičnosti.
Zatezna čvrstoća pri lomu ne prati potpuno isti obrazac kao zatezna čvrstoća. Pri 100% gustini najveću vrijednost imala je ASA, 29,70 MPa, zatim PETG sa 25,13 MPa i PLA-Strongman sa 24,83 MPa. PETG je imao nižu vrijednost pri 100% nego pri 80% gustini, kada je izmjereno 33,11 MPa. Izduženje pri lomu pri 100% gustini iznosilo je 6,88% za PETG, 6,10% za ASA i 5,94% za PLA-Strongman. U poređenju s uzorcima s ispunom, u radu je zabilježeno znatno veće izduženje pri lomu kod potpuno ispunjenih uzoraka.
Šta rezultati znače u praksi
Pri izboru postavki za funkcionalni dio korisno je razdvojiti ciljane osobine. Ako je fokus na zateznoj čvrstoći u uslovima sličnim onima u ovom ispitivanju, PETG je među testiranim materijalima pokazao najveće vrijednosti, a povećanje gustine ispune pratilo je povećanje zatezne čvrstoće. Ako se razmatra zatezna čvrstoća pri lomu, ASA je pri 100% gustini imala najveći rezultat. Modul elastičnosti i deformacija pri lomu daju dodatne informacije i ne bi ih trebalo zamijeniti jednom mjerom čvrstoće.
Studentima i istraživačima rad pruža primjer istovremenog poređenja različitih polimera i jednog parametra procesa. Rezultati također pokazuju zašto je važno pratiti više ishoda ispitivanja: granica tečenja, čvrstoća pri lomu i ukupno izduženje ne moraju se mijenjati istim redoslijedom kao zatezna čvrstoća. Nalazi su korisni za poređenje materijala u okviru konkretne postavke, a ne kao garancija svojstava svakog FDM dijela ili osnova za zanemarivanje zahtjeva primjene.
Ograničenja i naredni koraci
Ispitivanje je obuhvatilo tri materijala jednog proizvođača, jedan FDM printer, jedan uzorak ispune i pet ponavljanja po kombinaciji materijala i gustine. U radu nisu navedeni detalji o orijentaciji printanja, pa rezultate ne treba automatski prenositi na dijelove izrađene u drugim orijentacijama ili s drugačijim postavkama. Ispitivana su zatezna svojstva; u radu se navodi da bi buduća istraživanja trebala obuhvatiti i druga mehanička svojstva. Predloženo je i ponavljanje ispitivanja ASA-e pri 20% ispune zbog neočekivanog odnosa rezultata pri manjim gustinama.
Zaključak
Ovo istraživanje pokazuje da gustina ispune utiče na zatezna svojstva FDM printanih uzoraka, ali da odgovor zavisi od materijala i mjerene osobine. PETG je postigao najveću zateznu čvrstoću pri 100% gustini ispune, 49,84 MPa, dok je ASA pri toj gustini imala najveću zateznu čvrstoću pri lomu. Takvi podaci mogu pomoći pri početnom odabiru PETG-a, ASA-e ili PLA-Strongmana za razvoj proizvoda, uz obavezno vrednovanje stvarnih zahtjeva i provjeru dijela u uslovima njegove upotrebe.
| Autori rada | Adi Pandžić, Damir Hodžić |
|---|---|
| Objavljeno u | Proceedings of the 33rd DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation, 2022, pp. 221–230 |
| Datum objave | 12. januar 2022. |
| DOI | 10.2507/33rd.daaam.proceedings.031 |
| Cijeli rad | researchgate.net |
Česta pitanja
Koji je materijal imao najveću zateznu čvrstoću?
PETG je imao najveću zateznu čvrstoću pri svim ispitanim gustinama ispune. Pri 100% gustini izmjereno je 49,84 MPa.
Kako gustina ispune utiče na zateznu čvrstoću FDM dijelova?
Zatezna čvrstoća rasla je s povećanjem gustine ispune kod PETG-a, ASA-e i PLA-Strongmana. ASA je pri 20% ispune ipak imala veću vrijednost nego pri 40% i 60%.
Koji standard i brzina korišteni su za ispitivanje na zatezanje?
Ispitivanje je provedeno prema standardu ISO 527-1, brzinom od 5 mm/min. Model epruvete izrađen je prema standardu ISO 527-2.
Tekst je napisan na osnovu objavljenog naučnog rada; za detalje i citiranje koristite originalni rad. O autoru
