3D printanje PLA: kako parametri utiču na čvrstoću i trošak?

Izbor postavki za FDM 3D printanje nije samo pitanje izgleda gotovog dijela: parametri mogu uticati i na njegovu mehaničku otpornost, trajanje izrade i količinu potrošenog filamenta. Ovaj rad ispituje kako se odabrane postavke odražavaju na maksimalnu zateznu silu i dva praktična proizvodna pokazatelja kod PLA epruveta.

Ključni nalazi

• Ispitano je sedam parametara FDM printanja u planu eksperimenata sa 17 izvođenja, uključujući centralnu tačku.
• Najuticajniji parametri na maksimalnu zateznu silu bili su gustina ispune i debljina zida; značajni su bili i visina sloja, brzina printanja i temperatura podloge.
• Visina sloja, debljina zida i gustina ispune uticali su na sva tri praćena odgovora: silu, vrijeme printanja i potrošnju materijala.
• Brzina printanja imala je značajan uticaj na maksimalnu zateznu silu i vrijeme printanja.
• Prilagođene vrijednosti R² modela bile su 99,32% za silu, 96,80% za vrijeme i 93,25% za potrošnju materijala.
• Najveće relativne greške u dodatnim potvrdnim testovima iznosile su 5,98%, 3,60% i 4,33% za silu, vrijeme i materijal.

Zašto je ovo pitanje važno?

FDM je postupak aditivne proizvodnje u kojem se dio gradi nanošenjem materijala iz filamenta, sloj po sloj. Postavke koje ubrzaju izradu mogu promijeniti i način povezivanja slojeva, dok gušća ispuna ili deblji zid mogu tražiti više materijala. Zato je pri razvoju proizvoda korisno razumjeti kompromis između mehaničkog ponašanja, vremena izrade i potrošnje filamenta.

U radu se fokus stavlja na PLA i maksimalnu zateznu silu, a ne na sveobuhvatno utvrđivanje zatezne čvrstoće materijala. Maksimalna zatezna sila je najveća sila zabilježena tokom ispitivanja epruvete na istezanje; vrijednost zavisi i od geometrije epruvete. Rad uz to razmatra vrijeme printanja i procijenjenu potrošnju materijala, pa povezuje eksperimentalno ispitivanje s praktičnim planiranjem izrade.

Šta je ispitano?

U radu je analizirano sedam faktora: orijentacija printanja, visina sloja, debljina zida, gustina ispune, temperatura podloge, brzina printanja i brzina ventilatora. Rasponi uključuju orijentaciju od 0° do 90°, visinu sloja od 0,1 do 0,2 mm, gustinu ispune od 20% do 80%, temperaturu podloge od 30 do 90 °C, brzinu printanja od 30 do 70 mm/s i brzinu ventilatora od 60% do 100%.

Eksperimentalni plan koristio je definitivni screening dizajn, odnosno DSD. Ovaj pristup omogućava da se u ograničenom planu ispituju glavni efekti i odabrani efekti drugog reda, uz mogućnost da se kasnije razviju prediktivni modeli. Plan je imao 17 izvođenja, uključujući centralnu tačku. Epruvete od PLA projektovane su prema ISO 527-2 i izrađene na Ultimaker S5 3D printeru, koristeći UltiMaker Cura za pripremu G-koda i uzorak ispune u obliku mreže.

Ispitivanje na zatezanje provedeno je prema ISO 527-1 standardu na univerzalnoj ispitnoj mašini Shimadzu AGS-X, pri brzini od 5 mm/min. Maksimalna sila zabilježena je u softveru Shimadzu Trapezium-X. Vrijeme printanja i potrošnja materijala preuzeti su iz UltiMaker Cura softvera. Rezultati su analizirani u programu Minitab 19, primjenom analize varijanse (ANOVA) i regresije.

Šta su pokazali rezultati?

Kod maksimalne zatezne sile, gustina ispune i debljina zida izdvojile su se kao najuticajniji faktori. Važni su bili i visina sloja, brzina printanja i temperatura podloge. U ovom skupu eksperimenata povećanje visine sloja, debljine zida i gustine ispune bilo je povezano s većom maksimalnom silom. U radu se objašnjava da veća gustina ispune i deblji zid znače više materijala u epruveti, dok viša temperatura podloge može poboljšati prianjanje donjih slojeva. Veća brzina printanja bila je povezana sa smanjenjem sile, što se povezuje sa slabijim prianjanjem između rasterskih linija i slojeva.

Model sile imao je prilagođeni R² od 99,32% i RMSE od 13,03 N. RMSE je pokazatelj tipične veličine odstupanja modela od izmjerenih vrijednosti. Za model vremena printanja najprije je utvrđeno da početni model nije bio adekvatan, pa je vrijeme transformisano prirodnim logaritmom. U modelu za ln(T) značajni su bili brzina printanja, visina sloja, gustina ispune i debljina zida. Veća brzina i veća visina sloja smanjivale su predviđeno vrijeme, dok su veća gustina ispune i debljina zida povećavale vrijeme. Prilagođeni R² iznosio je 96,80%, a RMSE 0,056 za transformisani odgovor.

Za potrošnju materijala, gustina ispune bila je najuticajniji faktor, a slijedile su debljina zida i visina sloja. Povećanje sva tri parametra povećavalo je predviđenu potrošnju. Model je imao prilagođeni R² od 93,25% i RMSE od 0,276 g. Ove vrijednosti opisuju modele razvijene na podacima iz rada, a ne univerzalne garancije za svaki printer, filament ili geometriju.

Šta rezultati znače u praksi?

Za inženjere i dizajnere, nalaz je da se postavke ne trebaju birati samo prema jednom cilju. Veća gustina ispune ili deblji zid mogu povećati maksimalnu silu, ali istovremeno povećati vrijeme izrade i potrošnju materijala. Veća brzina printanja može skratiti vrijeme, ali je u ovom istraživanju bila povezana i s manjom maksimalnom silom. Visina sloja je takođe važna za sva tri odgovora, pa je korisno procijeniti njen uticaj zajedno s ostalim parametrima.

Istraživanje pokazuje kako DSD može povezati screening faktora s razvojem regresijskih modela. ANOVA pomaže da se prepoznaju statistički značajni faktori, dok dodatni eksperimenti provjeravaju koliko dobro model predviđa rezultate za nove kombinacije postavki. Potvrdni testovi na tri epruvete, printane s nasumično odabranim parametrima, dali su najveće relativne greške od 5,98% za maksimalnu silu, 3,60% za vrijeme i 4,33% za potrošnju materijala.

Ograničenja i naredni koraci

Rezultati se odnose na konkretan PLA, mrežasti uzorak ispune, epruvetu prema ISO 527-2 i korišteni FDM sistem. Ispitano je sedam faktora, ali rad ne obuhvata sve moguće postavke, materijale ili geometrije. Na primjer, iz ovih podataka ne može se zaključiti kako bi se ponašali drugi filamentni materijali ili dijelovi složenog oblika. Dodatno, potvrda prediktivnih modela provedena je na tri dodatne epruvete, što treba imati na umu pri primjeni modela izvan ispitivanog raspona.

Naredna istraživanja mogu provjeriti modele na drugim geometrijama, materijalima i postavkama, ali takve provjere nisu dio ovog rada. Praktično, modele je najbezbjednije koristiti kao procjene unutar raspona parametara koji su ispitani, a zatim ih potvrditi vlastitim testovima.

Zaključak

Studija pokazuje da visina sloja, debljina zida i gustina ispune utiču na maksimalnu zateznu silu, vrijeme printanja i potrošnju materijala kod FDM printanih PLA epruveta. Brzina printanja je značajna za silu i vrijeme. U radu Dr. Adija Pandžića razvijeni su modeli s visokim prilagođenim R² vrijednostima i provjerena je njihova prediktivna tačnost dodatnim eksperimentima. Rad je objavljen u zborniku NT 2024.

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