3D printanje: kako gustina ispune mijenja čvrstoću?

Gustina ispune može bitno uticati na količinu materijala u FDM 3D printanom dijelu, ali i na njegovo mehaničko ponašanje. Kada se dio opterećuje zatezanjem, važno je znati koliko čvrstoće i krutosti se gubi smanjenjem ispune. U radu Dr. Adija Pandžića eksperimentalno se porede te osobine kod tri materijala i četiri gustine ispune.

Ključni nalazi

• Ispitano je ukupno 60 epruveta: po pet za svaku kombinaciju tri materijala i četiri gustine ispune.
• Epruvete su printane s gustinom ispune od 20%, 60%, 80% i 100%, koristeći trokutasti uzorak ispune pod uglom od 45°.
• Pri gustini ispune od 100%, cPLA je imao najveću zateznu čvrstoću, 61,4 MPa, i najveći modul elastičnosti, 3,1 GPa.
• Smanjenjem gustine ispune opadale su zatezna čvrstoća i modul elastičnosti kod sva tri materijala.
• tPLA je pri gustinama ispune od 20%, 60% i 80% imao najveću zateznu čvrstoću među ispitivanim materijalima.
• U radu se navodi da je tPLA pokazao najveću plastičnost na krivama napon–deformacija.

Zašto je gustina ispune važna

FDM, odnosno modeliranje taloženjem rastopljenog materijala, jedna je od tehnologija aditivne proizvodnje. 3D printer nanosi rastopljeni filament sloj po sloj, gradeći predmet prema digitalnom modelu. U unutrašnjosti predmeta može se ostaviti ispuna umjesto da se cijeli volumen printa kao puni materijal. Gustina ispune označava koliko je tog unutrašnjeg prostora popunjeno.

Manja gustina ispune može smanjiti količinu filamenta i vrijeme printanja, što se u radu navodi kao prednost za proizvode s unutrašnjom strukturom. Međutim, lakši ili brže izrađen dio nije automatski prikladan za svako opterećenje. Za dizajn funkcionalnih dijelova zato je korisno znati kako se mijenjaju zatezna čvrstoća i modul elastičnosti kada se mijenja gustina ispune.

Zatezna čvrstoća je maksimalno zatezno naprezanje koje materijal podnosi tokom ispitivanja. Modul elastičnosti opisuje njegovu krutost u elastičnom području: veća vrijednost znači da je za određenu elastičnu deformaciju potrebno veće naprezanje. Ove osobine nisu jedine koje određuju ponašanje printanog proizvoda, ali su važne za razumijevanje rezultata ovog istraživanja.

Materijali i eksperimentalna metoda

U istraživanju su ispitana tri FDM materijala: antibakterijski PLA nanokompozit s nanočesticama bakra, označen kao cPLA; Tough PLA, označen kao tPLA; i ABS-X. Epruvete za ispitivanje zatezanjem projektovane su prema standardu ISO 527-2. Za svaki materijal pripremljene su epruvete s četiri gustine ispune: 20%, 60%, 80% i 100%. Pet ponavljanja za svaku od 12 kombinacija daje ukupno 60 ispitanih epruveta.

Svi uzorci imali su trokutasti uzorak ispune i ugao ispune od 45°. Za cPLA je korišten Ultimaker S3 s CC Red jezgrom i mlaznicom prečnika 0,6 mm, namijenjenom printanju kompozitnih materijala. Za tPLA i ABS-X korišteno je standardno AA jezgro s mlaznicom od 0,4 mm. Visina sloja bila je 0,15 mm za sva tri materijala. U programu Cura za cPLA i tPLA korišten je standardni PLA profil, a za ABS-X standardni ABS profil.

Ostali parametri razlikovali su se prema materijalu. Brzina printanja bila je 70 mm/s za cPLA, 45 mm/s za tPLA i 60 mm/s za ABS-X. Temperatura printanja bila je redom 200 °C, 215 °C i 245 °C. Epruvete su ispitane na univerzalnoj mašini Shimadzu AGS-X, kapaciteta 10 kN, prema standardu ISO 527-2, uz brzinu deformacije od 5 mm/min. Rezultati su prikazani kao prosjek pet epruveta za svaku kombinaciju.

Rezultati za zateznu čvrstoću i krutost

Pri gustini ispune od 100% zabilježene su sljedeće vrijednosti zatezne čvrstoće: 61,4 MPa za cPLA, 49,5 MPa za tPLA i 38,6 MPa za ABS-X. U istom redoslijedu, modul elastičnosti iznosio je 3,1 GPa, 2,5 GPa i 1,8 GPa. Dakle, pri punoj gustini ispune cPLA je imao najveću vrijednost za obje mjerene osobine, dok je ABS-X imao najmanji modul elastičnosti.

Pri smanjenju gustine ispune na 80%, 60% i 20%, zatezna čvrstoća cPLA iznosila je 37,5 MPa, 32,7 MPa i 26,7 MPa. Kod tPLA vrijednosti su bile 41,6 MPa, 38,9 MPa i 35,4 MPa, a kod ABS-X 30,9 MPa, 29 MPa i 26,9 MPa. Rezultati pokazuju opadajući trend za sva tri materijala. Među epruvetama s ispunom manjom od 100%, tPLA je imao najveću zateznu čvrstoću pri svakoj ispitanoj gustini.

Modul elastičnosti također je opadao s manjom gustinom ispune. Za cPLA iznosio je 2,5 GPa pri 80%, 2,1 GPa pri 60% i 1,8 GPa pri 20%. Za tPLA vrijednosti su bile 2,2 GPa, 2,1 GPa i 1,9 GPa, dok su za ABS-X iznosile 1,6 GPa, 1,5 GPa i 1,3 GPa. Pri 80% najveći modul imao je cPLA; pri 60% i 20% cPLA i tPLA imali su jednake vrijednosti, prema zaključku rada.

U Tabeli 4 prikazane su procentualne razlike u odnosu na epruvete sa 100% gustinom ispune. Za cPLA navedena smanjenja zatezne čvrstoće pri 80%, 60% i 20% iznose 48%, 61% i 78%; za tPLA 17%, 24% i 33%; a za ABS-X 22%, 28% i 35%. Za modul elastičnosti navedene su razlike od 21%, 38% i 53% za cPLA, 12%, 17% i 27% za tPLA te 11%, 18% i 32% za ABS-X. Ove procente treba čitati kao vrijednosti prikazane u Tabeli 4, uz pojedinačne prosjeke navedene u Tabeli 3.

Šta rezultati znače u praksi

Za inženjere i dizajnere ključna poruka nije da jedna gustina ispune odgovara svim dijelovima. Rezultati pokazuju da izbor gustine mijenja izmjerenu zateznu čvrstoću i krutost, a da se odgovor razlikuje i prema materijalu. Ako se projektuje dio koji se zateže, podaci pomažu da se prepozna kompromis između unutrašnje ispune i mehaničkih svojstava. Ipak, ove vrijednosti ne predstavljaju univerzalne karakteristike svih PLA ili ABS filamenta: odnose se na konkretne materijale, printer, postavke i geometriju ispitivanja u radu.

Studenti mogu koristiti istraživanje kao primjer kontrolisanog eksperimenta u aditivnoj proizvodnji. U radu se mijenjala gustina ispune, a zadržani su isti uzorak i ugao ispune; zatim su ispitana zatezna svojstva prema standardu. Istraživanje je korisno i za razgovor o tome kako se planiraju ponovljeni eksperimenti i zašto treba navesti parametre printanja. Poređenje sa SLA tehnologijom nije predmet rada: ispitani su samo FDM printani uzorci.

Istraživanje ne ispituje kompresiju, savijanje, zamor, udar ili ponašanje gotovih proizvoda u stvarnim uslovima. Zbog toga se iz rezultata ne može zaključiti kako bi se isti uzorci ponašali pod tim vrstama opterećenja. Također, opisani test obuhvata samo jedan uzorak ispune i jedan ugao, pa nalazi ne utvrđuju koji je oblik ispune najbolji u svim primjenama.

Ograničenja i naredni koraci

U radu se navodi da bi, osim gustine, trebalo ispitati uzorak ispune i ugao ispune u odnosu na smjer opterećenja, kao i orijentaciju ispune. To bi proširilo razumijevanje načina na koji unutrašnja geometrija utiče na ponašanje FDM materijala. Također se ističe potreba za izradom modela materijala za FEM/FEA analize elastične i plastične deformacije.

Zaključak o ponovljivosti treba vezati za obim ovog eksperimenta: na krivama napon–deformacija uglavnom nije uočeno izraženo rasipanje rezultata među pet ponavljanja, uz napomenu da se rasipanje vidi kod deformacije tPLA. Na osnovu toga rezultat se povezuje s dobrom ponovljivošću printanja na Ultimaker 3D printeru u ispitivanim uslovima. To nije isto što i dokaz da će svaka mašina, materijal ili postavka dati jednaku ponovljivost.

Zaključak

Rad pokazuje da je gustina ispune važan parametar za zateznu čvrstoću i modul elastičnosti ispitivanih FDM materijala. Pri punoj ispuni cPLA je imao najveće izmjerene vrijednosti, dok je tPLA bio najčvršći po zateznoj čvrstoći među uzorcima s ispunom od 20%, 60% i 80%. Smanjenje gustine pratilo je smanjenje obje mjerene osobine.

Rad Dr. Adija Pandžića objavljen je u časopisu TEM Journal 2021. godine, u 10. tomu, 3. broju, na stranicama 1195–1201. Za praktičnu primjenu, njegovi rezultati daju poređenje konkretnih materijala i postavki, a ne zamjenu za ispitivanje dijela u uslovima za koje je namijenjen.

Česta pitanja

Autor: Doc. Dr. Adi Pandžić

Tekst je napisan na osnovu objavljenog naučnog rada; za detalje i citiranje koristite originalni rad. O autoru

← Svi blogovi