Pri FDM 3D printanju, čvrstoća dijela ne zavisi samo od odabranog materijala. Unutrašnja ispuna može promijeniti koliko se materijala troši, koliko printanje traje i kako se dio ponaša pod opterećenjem. U radu Dr. Adija Pandžića mjerene su ove veze za PLA, materijal koji se često koristi u prototipiranju i proizvodnji funkcionalnih dijelova.
Ključni nalazi
- Ispitano je 13 oblika ispune, uz ukupno 130 PLA epruveta i gustine od 10% do 100% prikazane u rezultatima.
- Povećanje gustine ispune od 10% do 90% povećalo je zateznu čvrstoću i granicu tečenja kod svih ispitivanih uzoraka.
- Među ispitivanim oblicima, koncentrična ispuna pri 90% gustine imala je najveće vrijednosti zatezne čvrstoće i granice tečenja.
- Uzorak sa 100% ispunom imao je zateznu čvrstoću od 42,15 MPa i granicu tečenja od 36,40 MPa.
- Za koncentričnu ispunu od 90%, u radu se navodi smanjenje zatezne čvrstoće od 15% i granice tečenja od 20% u odnosu na 100% ispunu, uz 30% kraće vrijeme printanja.
Zašto su oblik i gustina ispune važni?
FDM, odnosno modeliranje taloženjem rastopljenog materijala, gradi predmet nanošenjem slojeva termoplastičnog filamenta. Ispuna je unutrašnja struktura dijela, a njena gustina označava zadani udio popunjenosti unutrašnjosti. Uzorak ispune opisuje geometrijski raspored materijala, na primjer mrežu, linije ili koncentrične putanje.
Ove postavke su važne jer mijenjaju količinu materijala unutar epruvete i putanju kojom je printer nanosi. Projektant zato ne bira samo između maksimalne čvrstoće i manje potrošnje. Potrebno je procijeniti i trajanje izrade, kao i to da li će karakteristike dijela zadovoljiti zahtjeve konkretne primjene. To može biti relevantno za razvoj proizvoda, obrazovne projekte i izradu funkcionalnih prototipova.
Kako je istraživanje provedeno?
U radu se navodi da je korišten PLA filament proizvođača 3D Republika, prečnika 2,85 mm, i Ultimaker 2+ 3D printer. Model epruvete oblika „dogbone“ izrađen je prema standardu ISO 527-2. Putanja printanja pripremljena je u programu Cura 4.0.0, uz unaprijed definirani profil „Normal“.
Za sve epruvete primijenjeni su isti uslovi. U radu su navedeni mlaznica prečnika 0,4 mm, visina sloja 0,15 mm, debljina zida 0,7 mm, brzina printanja 60 mm/s, temperatura printanja 200 °C i temperatura podloge 60 °C. Epruvete su printane položene, s uglom putanje od 45°. U radu se navodi da je uticaj drugih faktora nastojano smanjiti korištenjem istog materijala i boje, istih parametara i istog položaja na podlozi.
U eksperimentu je obuhvaćeno 13 oblika ispune: Grid, Lines, Triangles, Tri-Hexagon, Cubic, Cubic Subdivision, Octet, Quarter Cubic, Concentric, Zig Zag, Cross, Cross 3D i Gyroid. Za svaki oblik promijenjena je gustina, a ukupno je izrađeno 130 epruveta. Ispitivanje na zatezanje izvedeno je na kalibriranom Shimadzu AGS-X uređaju s mjernom ćelijom od 100 kN, brzinom ispitivanja 1 mm/min. Mjerene su zatezna čvrstoća i granica tečenja. Pored toga, evidentirani su procijenjeno vrijeme printanja i potrošnja materijala po epruveti.
Šta su pokazali rezultati?
Za svaki ispitivani oblik ispune, povećanje gustine od 10% do 90% pratilo je povećanje zatezne čvrstoće i granice tečenja. Veličina tog povećanja zavisila je od uzorka. Primjerice, za koncentričnu ispunu navedeno povećanje iznosilo je 96% za zateznu čvrstoću i 100% za granicu tečenja. Za Cross uzorak zabilježene su manje promjene: 7% i 14%, respektivno.
Koncentrična ispuna pri 90% imala je najveće rezultate među oblicima ispune poređenim u radu. Prema zaključku, u odnosu na potpuno ispunjenu epruvetu, ta postavka smanjila je zateznu čvrstoću za 15%, a granicu tečenja za 20%, dok je vrijeme printanja bilo kraće za 30%. Ovo su rezultati konkretnog materijala, printera, geometrije i postavki iz eksperimenta, a ne univerzalne vrijednosti za svaki FDM printer ili PLA filament.
U istraživanju se navodi i da je 100% ispunjena PLA epruveta dostigla zateznu čvrstoću od 42,15 MPa i granicu tečenja od 36,40 MPa. Tabele vremena i potrošnje pokazuju da oba pokazatelja uglavnom rastu s gustinom. Naprimjer, za Grid uzorak vrijeme printanja raste sa 46 minuta pri 10% na 93 minute pri 100%, dok se procijenjena potrošnja mijenja sa 7 g na 12 g. Vrijednosti se razlikuju među oblicima ispune.
Šta rezultati znače u praksi?
Za inženjere i dizajnere, nalaz je da se gustina i oblik ispune mogu razmatrati zajedno, umjesto da se čvrstoća procjenjuje samo prema procentu popunjenosti. U ispitivanom skupu, koncentrična ispuna pri 90% bila je kompromis s kraćim vremenom izrade i manjom potrošnjom od 100% ispune, uz izmjerene razlike u čvrstoći. Da li je takav kompromis prihvatljiv zavisi od opterećenja i zahtjeva dijela.
Studenti i istraživači mogu koristiti metodologiju kao primjer kontroliranog poređenja parametara FDM procesa. Rad pokazuje zašto uzorak ispune treba navesti uz gustinu i zašto su važni standardizirana geometrija, ista orijentacija printanja i jednaka brzina ispitivanja. Rezultate nije opravdano neposredno prenositi na druge materijale ili orijentacije bez dodatnog ispitivanja.
Ograničenja i naredni koraci
Ispitivanje je obuhvatilo zatezna svojstva u jednom smjeru i jednu orijentaciju printanja. U radu se predlaže da se u budućem radu ispitaju različite orijentacije, testiranje u tri smjera i druga svojstva, uključujući savijanje, pritisak i tvrdoću. Takvi podaci mogli bi dati širu sliku ponašanja FDM materijala i pomoći u daljoj analizi pomoću metode konačnih elemenata.
Zaključak
Rad pokazuje da oblik i gustina ispune utiču na zateznu čvrstoću i granicu tečenja PLA epruveta izrađenih FDM postupkom. U ovom eksperimentu, koncentrična ispuna pri 90% dala je najveće vrijednosti među testiranim oblicima, dok je puna ispuna poslužila kao referentna konfiguracija s izmjerenim vrijednostima od 42,15 MPa i 36,40 MPa. Rezultati mogu pomoći pri odabiru postavki za prototipove i dijelove, ali odluku treba potvrditi za stvarni materijal, printer i uslove opterećenja.
Podaci o radu
Rad „Effect of Infill Type and Density on Tensile Properties of PLA Material for FDM Process“ je rad Dr. Adija Pandžića. Objavljen je u zborniku 30th DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation 2019. godine, na stranicama 545–554. DOI: 10.2507/30th.daaam.proceedings.074.
| Autori rada | Adi Pandžić, Damir Hodžić, Aleksa Milovanovic |
|---|---|
| Objavljeno u | 30th DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation, 2019, pp. 545–554 |
| Datum objave | 27. oktobar 2019. |
| DOI | 10.2507/30th.daaam.proceedings.074 |
| Cijeli rad | researchgate.net |
Česta pitanja
Koji oblik ispune je dao najveću zateznu čvrstoću?
U ovom istraživanju, koncentrična ispuna pri 90% gustine imala je najveću zateznu čvrstoću i granicu tečenja među ispitivanim oblicima.
Kolika je zatezna čvrstoća PLA pri 100% ispuni?
U radu je za PLA epruvetu sa 100% ispunom navedena zatezna čvrstoća od 42,15 MPa i granica tečenja od 36,40 MPa.
Koji standard je korišten za ispitivanje PLA epruveta?
Epruvete oblika „dogbone“ ispitane su prema standardu ISO 527-2, na Shimadzu AGS-X uređaju, brzinom od 1 mm/min.
Tekst je napisan na osnovu objavljenog naučnog rada; za detalje i citiranje koristite originalni rad. O autoru
