Pri izboru filamenta za FDM 3D printanje nije dovoljno pitati koji je materijal najkrutiji. Dio može biti čvršći u jednom pogledu, a istovremeno slabiji u pogledu zatezne čvrstoće ili sposobnosti deformacije prije loma. Istraživanje Dr. Adija Pandžića upoređuje obični PLA i PET-G s njihovim varijantama ojačanim karbonskim vlaknima kako bi pokazalo kakvu razliku ta vlakna prave u ispitivanju na zatezanje.
Ključni nalazi
- U ispitivanim uzorcima karbonska vlakna povećala su modul elastičnosti za 50% kod PLA i 100% kod PET-G, prema zaključku iz rada.
- Istovremeno, zatezna čvrstoća smanjena je za 27% kod PLA i 12% kod PET-G.
- Granica tečenja opala je za 21% kod PLA i 7% kod PET-G; deformacija se smanjila za 65% odnosno 45%.
- Žilavost je bila manja za 68% kod PLA i 50% kod PET-G nakon dodavanja karbonskih vlakana.
- Orijentacija printanja imala je različit uticaj zavisno od materijala: promjene zatezne čvrstoće i granice tečenja dosezale su do 10% kod CFPLA te do 20% kod PET-G i Carbon-P.
Zašto je ovo pitanje važno
FDM, odnosno modeliranje taloženjem rastopljenog materijala, gradi predmet istiskivanjem termoplastičnog filamenta kroz mlaznicu i dodavanjem materijala sloj po sloj. Ova metoda je rasprostranjena zbog relativno niske cijene i jednostavne primjene, ali mehaničko ponašanje gotovog dijela zavisi i od materijala i od uslova printanja. U radu se navodi da se FDM koristi u obrazovanju, izradi prototipova, inženjerstvu, automobilskoj i zrakoplovnoj industriji, kao i drugim oblastima.
Karbonska vlakna dodaju se polimernoj matrici kako bi se promijenila mehanička svojstva. Važno je, međutim, razlikovati krutost od čvrstoće. Modul elastičnosti opisuje koliko se materijal opire elastičnoj deformaciji, dok zatezna čvrstoća označava najveće zatezno naprezanje koje uzorak podnosi. Granica tečenja predstavlja naprezanje pri kojem počinje trajna deformacija. Zato veći modul elastičnosti ne znači automatski da će dio izdržati veće zatezno opterećenje ili apsorbovati više energije prije loma.
Koji materijali i postupak su ispitani
U radu se upoređuju četiri filamenta: PLA, CFPLA, PET-G i Carbon-P. CFPLA je varijanta PLA ojačana karbonskim vlaknima, a Carbon-P je PET-G filament s karbonskim vlaknima. Materijali su ispitivani pod istim osnovnim uslovima printanja, uz izmjene pojedinih postavki za ojačane filamente. Epruvete oblika dogbone projektovane su prema standardu ISO 527-2. Za svaki materijal pripremljene su po dvije epruvete za svaku od četiri orijentacije printanja: 0°, 15°, 30° i 45°.
Za izradu je korišten Ultimaker 2+, a G-kod je pripremljen u programu Cura 4.0.0. Zbog abrazivnog djelovanja karbonskih vlakana korištena je čelična mlaznica prečnika 0,5 mm. Visina sloja bila je 0,15 mm, debljina zida 0,7 mm, a gustina ispune 100% za sve materijale. Brzina printanja iznosila je 60 mm/s za PLA, CFPLA i Carbon-P te 45 mm/s za PET-G. Temperatura printanja bila je 200 °C za PLA, 210 °C za CFPLA, 240 °C za PET-G i 230 °C za Carbon-P. Temperatura podloge iznosila je 60 °C za PLA, CFPLA i Carbon-P, odnosno 70 °C za PET-G. Brzina ventilatora bila je 100% za PLA, PET-G i Carbon-P te 20% za CFPLA.
Ispitivanje na zatezanje provedeno je na uređaju Shimadzu AGS-X kapaciteta 100 kN, prema standardu ISO 527-2, pri brzini ispitivanja od 1 mm/min. Analizirani su modul elastičnosti, zatezna čvrstoća, granica tečenja, deformacija i žilavost. Ispuna označava unutrašnju strukturu epruvete; u ovom eksperimentu bila je puna, pa se rezultati odnose na navedenu konfiguraciju, a ne na sve moguće postavke ispune.
Šta su pokazali rezultati
Najjasniji dobitak nakon dodavanja karbonskih vlakana bio je veći modul elastičnosti. Kod uglova od 0°, PLA je imao modul elastičnosti od 2517,89 MPa, a CFPLA 4546,54 MPa. Kod PET-G vrijednost je bila 1594,45 MPa, dok je Carbon-P imao 3085,00 MPa. Najveći zabilježeni modul bio je 4546,54 MPa za CFPLA pri 0°, a za Carbon-P 4267,22 MPa pri 45°. Kod Carbon-P modul je rastao od 3085,00 MPa pri 0° do 4267,22 MPa pri 45°.
Veća krutost nije se pretvorila u veću zateznu čvrstoću. Pri 0° PLA je dostigao 37,06 MPa, a CFPLA 29,96 MPa; PET-G je imao 30,45 MPa, a Carbon-P 31,88 MPa. Najveća zatezna čvrstoća u skupu podataka bila je 38,53 MPa za PLA pri 15°. Za PET-G najviša vrijednost bila je 36,15 MPa pri 45°, dok je najniža vrijednost među prikazanim rezultatima bila 26,20 MPa za CFPLA pri 15°.
Granica tečenja dodatno pokazuje zašto je važno gledati više od jednog pokazatelja. Pri 0° iznosila je 31,68 MPa za PLA i 28,17 MPa za CFPLA, odnosno 24,76 MPa za PET-G i 24,77 MPa za Carbon-P. Deformacija pri uglu od 0° iznosila je 6,67% za PLA, nasuprot 1,17% za CFPLA; za PET-G bila je 3,08%, a za Carbon-P 1,99%. Rezultati pokazuju da su ojačane varijante imale manju deformaciju i žilavost. Žilavost, odnosno energija apsorbovana do loma, smanjena je prema poređenju u radu za 68% kod PLA i 50% kod PET-G.
Šta rezultati znače u praksi
Za inženjera ili dizajnera izbor zavisi od toga šta dio treba da radi. Ako je cilj veća krutost, CFPLA i Carbon-P mogu biti zanimljivi kandidati na osnovu ovih ispitivanja. Ako su važni veća zatezna čvrstoća, deformacija prije loma ili žilavost, rezultati upozoravaju da karbonski dodatak nije automatsko poboljšanje. Materijal se zato ne bi trebao birati samo prema opisu filamenta ili jednoj brojci iz tehničkog lista.
Orijentacija printanja također zaslužuje pažnju. Kod PLA nije zabilježen značajan uticaj ugla na zateznu čvrstoću i granicu tečenja, dok je kod CFPLA uticaj dosezao do 10%. Kod PET-G i Carbon-P u radu se navodi uticaj do 20%. To znači da poređenje materijala treba provoditi uz zabilježenu orijentaciju, a projektni prototip i ispitna epruveta trebaju odgovarati stvarnoj primjeni koliko je to moguće.
Za studente i istraživače rad je koristan primjer kontrole eksperimenta: isti printer, standardizovana geometrija, navedeni parametri i više uglova printanja. Istovremeno, rezultate ne treba tumačiti kao univerzalne vrijednosti za svaki printer ili filament, jer su ispitani konkretni materijali i konkretne postavke.
Ograničenja i naredni koraci
Za svaku kombinaciju materijala i ugla korištene su dvije epruvete. U radu se navodi da bi buduća istraživanja trebala koristiti što više uzoraka radi pouzdanijih i preciznijih rezultata. Zaključci se odnose na zatezna svojstva i na četiri ispitana filamenta, uz primijenjene postavke printanja. U radu se predlaže da se u budućnosti analiziraju i druga svojstva, uključujući savijanje, tvrdoću i uvijanje.
Zaključak
Ovo poređenje pokazuje kompromis koji može pratiti karbonski ojačan filament za FDM 3D printanje: veći modul elastičnosti, ali niže zatezne i druge izmjerene vrijednosti. U konkretnom eksperimentu modul je porastao za 50% kod PLA i 100% kod PET-G, dok su zatezna čvrstoća, granica tečenja, deformacija i žilavost opale. Rad Dr. Adija Pandžića objavljen je 2019. godine u zborniku Proceedings of the 30th DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation. Za praktičan izbor materijala ključna poruka je da se filament mora uskladiti sa zahtjevima dijela, a ne odabrati samo zato što je ojačan vlaknima.
| Autori rada | Damir Hodžić, Adi Pandžić |
|---|---|
| Objavljeno u | Proceedings of the 30th DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation, 2019, pp. 0334–0342 |
| Datum objave | 25. oktobar 2019. |
| DOI | 10.2507/30th.daaam.proceedings.044 |
| Cijeli rad | researchgate.net |
Česta pitanja
Da li karbonska vlakna povećavaju čvrstoću PLA filamenta?
U ovom ispitivanju povećala su modul elastičnosti PLA za 50%, ali su smanjila zateznu čvrstoću za 27% i granicu tečenja za 21%.
Kako su ispitivane epruvete od PLA i PET-G?
Epruvete prema ISO 527-2 printane su na Ultimakeru 2+ u četiri orijentacije: 0°, 15°, 30° i 45°. Ispitivanje na zatezanje provedeno je na uređaju Shimadzu AGS-X pri 1 mm/min.
Koja je orijentacija dala najveći modul elastičnosti?
CFPLA je imao najveći modul pri 0°: 4546,54 MPa. Carbon-P je dostigao 4267,22 MPa pri 45°, što je njegova najveća prikazana vrijednost.
Tekst je napisan na osnovu objavljenog naučnog rada; za detalje i citiranje koristite originalni rad. O autoru
