3D printanje PLA: kako mlaznica utiče na čvrstoću i vrijeme?

Pri izboru postavki za FDM 3D printanje, prečnik mlaznice može uticati i na svojstva gotovog dijela i na vrijeme izrade. To je praktičan kompromis za inženjere koji razvijaju proizvod, ali i za studente koji žele razumjeti kako procesni parametri utiču na rezultate ispitivanja. U radu Dr. Adija Pandžića ispituje se taj odnos na PLA materijalu.

Ključni nalazi

• Ispitani su prečnici mlaznice od 0,25 mm, 0,4 mm, 0,6 mm i 0,8 mm, uz visinu sloja od 0,15 mm.
• Najveća izmjerena zatezna čvrstoća bila je 44,60 MPa, a najveći modul elastičnosti pri zatezanju 2,80 GPa, oba kod mlaznice od 0,8 mm.
• Savojna čvrstoća dostigla je 114,89 MPa, a savojni modul 6,30 GPa s mlaznicom od 0,8 mm.
• Najveće vrijednosti izduženja pri lomu izmjerene su s mlaznicom od 0,4 mm: 2,70% pri zatezanju i 3,09% pri savijanju.
• Vrijeme printanja jedne epruvete za zatezno ispitivanje smanjilo se sa 163 minute za mlaznicu od 0,25 mm na 36 minuta za mlaznicu od 0,8 mm.

Zašto je prečnik mlaznice važan?

FDM, odnosno modeliranje taloženjem rastopljenog materijala, način je aditivne proizvodnje u kojem se termoplastični filament zagrijava i istiskuje kroz mlaznicu. Printer nanosi materijal sloj po sloj prema putanjama definisanim G-kodom. Među postavkama koje se mogu birati nalaze se prečnik mlaznice, visina sloja, brzina printanja i uzorak ispune. Ispuna je unutrašnji materijal unutar dijela; u ovom radu detalji o njenoj promjeni nisu predmet poređenja.

Prečnik mlaznice je zanimljiv jer može biti povezan s količinom materijala nanesenom po putanji i brojem prolaza potrebnih za izradu. U ovom eksperimentu nisu mijenjani samo kvalitet površine, nego su mjerena i zatezna i savojna svojstva. Uz mehanička mjerenja praćeno je vrijeme printanja, jer vrijeme proizvodnje utiče na planiranje i trošak izrade. Rad se zato bavi pitanjem koje je važno i u razvoju proizvoda i u obrazovnom laboratoriju: kako se mijenjaju mjerljiva svojstva kada se promijeni jedna od postavki FDM procesa?

U radu se pitanje smješta u širi kontekst aditivne proizvodnje, koja omogućava izradu prototipa i proizvoda bez posebnog alata. Ipak, rad ne poredi FDM sa SLA tehnologijom niti ispituje primjene u medicini ili drugim posebnim oblastima. Njegov konkretan fokus je uži: crni PLA, četiri prečnika mlaznice i mehanička svojstva epruveta.

Šta je ispitano?

Za eksperiment je korišten crni PLA filament proizvođača Ultimaker, prečnika 2,35 mm. PLA je termoplastični polimer koji se često koristi u FDM printanju. Epruvete za zatezno ispitivanje projektovane su prema ISO 527, dok su epruvete za savijanje projektovane prema ISO 178. Za svaku kombinaciju ispitivanja i prečnika mlaznice printano je pet replika.

G-kod je pripremljen u programu Ultimaker Cura, uz podrazumijevani profil „Normal” za navedeni filament. U radu su korištene četiri mlaznice: 0,25 mm, 0,4 mm, 0,6 mm i 0,8 mm. Visina sloja ostala je 0,15 mm za sve uzorke, što omogućava poređenje prečnika mlaznice bez promjene te postavke. Printanje je izvedeno na printeru Ultimaker S5.

Zatezna i savojna ispitivanja obavljena su na univerzalnoj mašini Shimadzu AGS-X, brzinom ispitivanja od 5 mm/min. Zatezno ispitivanje opterećuje epruvetu povlačenjem kako bi se utvrdilo kako materijal podnosi istezanje. Savojno ispitivanje procjenjuje odgovor epruvete na opterećenje koje je savija. Zatezna čvrstoća označava najveće naprezanje zabilježeno tokom zatezanja, dok modul elastičnosti opisuje krutost u elastičnom području. Izduženje pri lomu pokazuje koliko se epruveta deformisala do prekida.

Rezultati: čvrstoća i krutost

Rezultati pokazuju da su najviše vrijednosti zatezne čvrstoće i modula elastičnosti izmjerene kod mlaznice od 0,8 mm. Zatezna čvrstoća iznosila je 36,10 MPa za 0,25 mm, 41,90 MPa za 0,4 mm, 42,00 MPa za 0,6 mm i 44,60 MPa za 0,8 mm. Modul elastičnosti pri zatezanju povećao se od 2,40 GPa kod 0,25 mm, preko 2,50 GPa i 2,60 GPa, do 2,80 GPa kod 0,8 mm.

Kod savojnog ispitivanja, savojna čvrstoća iznosila je 85,74 MPa za 0,25 mm, 102,83 MPa za 0,4 mm, 100,61 MPa za 0,6 mm i 114,89 MPa za 0,8 mm. Savojni modul povećao se redom od 5,20 GPa do 5,70 GPa, 5,80 GPa i 6,30 GPa. Dakle, najviša vrijednost savojne čvrstoće zabilježena je kod najveće mlaznice, ali rezultati nisu rasli u svakom koraku: vrijednost za 0,6 mm bila je niža nego za 0,4 mm. To je važno imati na umu kada se zaključak rada o općem trendu povećanja čita uz pojedinačne podatke iz tabele.

Izduženje pri lomu nije pratilo isti rast kao čvrstoća i moduli. Vrijednosti zateznog izduženja bile su 2,40%, 2,70%, 2,30% i 2,00% za mlaznice od 0,25 mm, 0,4 mm, 0,6 mm i 0,8 mm. Savojno izduženje iznosilo je 2,86%, 3,09%, 2,41% i 2,40% istim redoslijedom. Najveća izmjerena izduženja zabilježena su, dakle, kod mlaznice od 0,4 mm.

Vrijeme printanja i praktično tumačenje

Vrijeme se odnosi na printanje jedne epruvete za zatezno ispitivanje. Za mlaznicu od 0,25 mm iznosilo je 163 minute; za 0,4 mm 81 minutu; za 0,6 mm 48 minuta; a za 0,8 mm 36 minuta. Rad navodi da je printanje s mlaznicom od 0,25 mm trajalo do četiri puta duže u poređenju s drugim ispitivanim prečnicima. Ovi podaci prikazuju značajan pad vremena u okviru konkretnih postavki i uzorka, ali ih ne treba automatski prenositi na svaki model ili konfiguraciju printera.

Za inženjera ili dizajnera, nalazi pokazuju da izbor mlaznice može zahtijevati kompromis između mjerene čvrstoće, izduženja i vremena. U ovom skupu rezultata, mlaznica od 0,8 mm imala je najveće vrijednosti zatezne i savojne čvrstoće te modula, a ujedno i najkraće vrijeme printanja. Ako je kriterij izduženje pri lomu, najveće vrijednosti dobijene su s mlaznicom od 0,4 mm. Rad ne utvrđuje univerzalno najbolju postavku za sve dijelove; odluka zavisi od toga koja svojstva i ograničenja proizvodnje su važna za konkretan zadatak.

Za studente i istraživače koristan je način poređenja: uz promjenu prečnika zadržana je ista visina sloja, korišten je isti materijal i primijenjen je definisan postupak ispitivanja. Takav pristup olakšava tumačenje uticaja posmatranog parametra, ali ne dokazuje da će isti trend važiti za drugi PLA, drugi printer ili drugačije postavke.

Ograničenja i naredni koraci

Eksperiment je obuhvatio jedan tip materijala, crni Ultimaker PLA, jedan printer i četiri prečnika mlaznice. Svi uzorci printani su s visinom sloja od 0,15 mm, a mehanička ispitivanja izvedena su brzinom 5 mm/min. Rezultati se odnose na ispitane epruvete i uslove, a ne na sve geometrije ili primjene. U radu nisu prikazane vrijednosti rasipanja rezultata u tabeli, pa se ovdje ne izvode dodatni zaključci o statističkoj značajnosti razlika.

U radu se predlaže da se slična analiza provede i za druge materijale, kao i da se istraže drugi aspekti mehaničkih i općih svojstava FDM printanih dijelova. To bi pomoglo da se procijeni koliko se zapaženi odnos između prečnika mlaznice, svojstava i vremena ponavlja izvan ovog eksperimenta.

Zaključak

U ovom istraživanju FDM printanih PLA epruveta, promjena mlaznice od 0,25 mm do 0,8 mm bila je povezana s višim izmjerenim vrijednostima zatezne i savojne čvrstoće i modula na krajnjem prečniku, kao i s kraćim vremenom printanja. Najveća zatezna čvrstoća iznosila je 44,60 MPa, najveća savojna čvrstoća 114,89 MPa, a vrijeme printanja jedne zatezne epruvete 36 minuta za mlaznicu od 0,8 mm. Najveće izduženje pri lomu, međutim, zabilježeno je za mlaznicu od 0,4 mm. Zbog toga prečnik treba birati prema cilju izrade, uz oslanjanje na ispitivanje konkretne kombinacije materijala i parametara.

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