3D printanje PLA: koliko model printera mijenja čvrstoću?

FDM 3D printeri istog proizvođača mogu koristiti isti filament i slične postavke, a ipak proizvesti dijelove različite čvrstoće. Inženjerima koji biraju opremu za razvoj proizvoda, nastavu ili izradu funkcionalnih prototipova važno je znati imaju li razlike između modela printera mjerljiv učinak. Rad Dr. Adija Pandžića ispituje upravo to pitanje na PLA materijalu.

Ključni nalazi

• Ispitano je pet Ultimaker modela: 2+, 2+ extended, 3, S3 i S5, uz upotrebu PLA filamenta iste vrste i boje.
• Za Ultimaker 3, S3 i S5 razlike u prosječnoj maksimalnoj sili loma iznosile su 1,80% pri 100% ispune, 5,40% pri 60% i 5,20% pri 20%.
• U poređenju s prosjekom modela 3, S3 i S5, Ultimaker 2+ extended imao je nižu prosječnu maksimalnu silu za 6,00%, 19,00% i 28,00% pri 100%, 60% i 20% ispune.
• Ultimaker 2+ dao je najniže vrijednosti zateznih svojstava pri svim ispitivanim gustinama ispune.
• Ispitivane su epruvete od pastelno plavog PLA filamenta, s trouglastom ispunom i printane u ravnom položaju.

Zašto je važno porediti FDM printere

Aditivna proizvodnja izrađuje predmet dodavanjem materijala sloj po sloj. FDM, odnosno modeliranje taloženjem rastopljenog materijala, jedna je od široko korištenih tehnologija 3D printanja: filament se zagrijava i istiskuje kroz mlaznicu, a zatim polaže na podlogu u slojevima. PLA, odnosno polilaktična kiselina, čest je materijal za ovu tehnologiju.

Čvrstoća FDM dijela ne zavisi samo od naziva materijala. Na nju utiču i parametri printanja, orijentacija izrade, oblik i gustina ispune, visina sloja, prečnik mlaznice te karakteristike samog printera. Ispuna je unutrašnja struktura epruvete ili dijela, a njena gustina opisuje koliko je unutrašnji prostor popunjen. Manja gustina može smanjiti količinu materijala, ali pri tumačenju rezultata poređenja treba biti oprezan.

U radu se navodi da su prethodna istraživanja često proučavala parametre procesa, dok je poređenje različitih modela printera istog proizvođača bilo manje zastupljeno. Takvo poređenje može pomoći pri izboru jednog od više dostupnih printera za određeni zadatak.

Šta je testirano

Epruvete za ispitivanje zatezanjem izrađene su prema standardu ISO 527-2. Pet modela printera bili su Ultimaker 2+, Ultimaker 2+ extended, Ultimaker 3, Ultimaker S3 i Ultimaker S5. Korišten je PLA proizvođača 3D Republika, pastelno plave boje. U radu je odabrana jedna boja jer se u ranijem radu razmatrao uticaj boje na mehanička svojstva PLA materijala.

Za pripremu datoteka korišteni su Solidworks za CAD model, a Cura 4.5.0 za pripremu G-koda. Epruvete su printane profilom „Normal profile 0,15 mm“, uz visinu sloja od 0,15 mm i mlaznicu prečnika 0,4 mm. Ispitane su tri gustine ispune: 100%, 60% i 20%. Uzorak ispune bio je trouglast, ugao ispune 45°, a orijentacija printanja ravna. Printeri su radili u istoj prostoriji, pri istim uslovima temperature i vlažnosti.

U radu se navodi da je za svaku kombinaciju modela printera i gustine ispune pripremljeno pet epruveta, a istovremeno se navodi da su ukupno ispitane 72 epruvete. Te dvije tvrdnje nisu aritmetički usklađene za svih pet modela i tri gustine, pa je ovdje zadržan ukupan broj naveden u radu, uz napomenu o neslaganju.

Zatezno ispitivanje obavljeno je na mašini Shimadzu AGS-X Std kapaciteta 10 kN, uz mjernu ćeliju od 5 kN. Ispitivanje je provedeno brzinom od 5 mm/min. Softver Trapezium-X bilježio je dijagrame napon–deformacija i rezultate za pojedinačne epruvete.

Rezultati: model printera i sila loma

U radu se porede zatezna čvrstoća i maksimalna sila prije loma. Kod epruveta sa 60% i 20% ispune, proračun napona prema punoj površini poprečnog presjeka ne predstavlja stvarnu površinu materijala. Zato se prosječna maksimalna sila prije loma, označena kao Fm i izražena u njutnima, smatra reprezentativnijom za poređenje konfiguracija s različitim gustinama ispune.

Modeli Ultimaker 3, S3 i S5 pokazali su slična svojstva. Razlika u njihovoj prosječnoj maksimalnoj sili bila je 1,80% pri 100% ispune, 5,40% pri 60% i 5,20% pri 20%. Nasuprot tome, Ultimaker 2+ extended imao je niže vrijednosti Fm od prosjeka za ova tri modela: 6,00% pri 100% ispune, 19,00% pri 60% i 28,00% pri 20% ispune. Ultimaker 2+ imao je najniže rezultate zateznih svojstava pri sve tri gustine.

Rezultati naprezanja prikazani na grafikonima također ne opravdavaju jednu univerzalnu vrijednost čvrstoće za PLA: konfiguracija ispune i profil printera važni su za tumačenje rezultata.

Kad je riječ o deformaciji pri lomu, Ultimaker 3, S3 i S5 imali su slične rezultate pri 100% ispune, a Ultimaker 3 bio je nešto viši; u radu se navodi razlika od 6,40%. Ultimaker 2+ extended pokazao je veće vrijednosti deformacije pri lomu pri 60% i 20% ispune te najmanji pad deformacije pri poređenju epruveta sa 100% i 60% ispune. Prema tome, rangiranje prema sili i prema deformaciji nije nužno isto.

Šta to znači za praksu

Za dizajnere i inženjere praktična poruka je da isti naziv materijala i slični osnovni uslovi nisu dovoljni da se pretpostavi jednak rezultat na različitim FDM printerima. Ako je potrebna određena nosivost, korisno je provjeriti konkretan model, profil i gustinu ispune ispitivanjem ili validacijom za konkretnu primjenu. Ovaj rad odnosi se na ispitane PLA epruvete i uslove, a ne na sve printere, filamente ili geometrije.

Važno je napomenuti da u istraživanju nisu korištene identične numeričke postavke u svakom detalju. Cura je primijenila podrazumijevani profil za svaki model. Profil za S5, S3 i Ultimaker 3 imao je tri zida debljine 1,00 mm, kao i gornju i donju debljinu od 1,00 mm. Brzina printanja bila je 70 mm/s za S5 i S3, odnosno 80 mm/s za Ultimaker 3. Profili za 2+ i 2+ extended imali su dva zida debljine 0,70 mm, gornju i donju debljinu od 0,75 mm te brzinu od 60 mm/s. Visina sloja bila je 0,15 mm za sve modele. Razlike u rezultatima zato mogu odražavati i razlike u profilima, a ne samo konstrukciju printera.

Ograničenja i naredni koraci

U radu se navodi da je Ultimaker 2+ korišten oko dvije godine, dok su ostali printeri, uključujući 2+ extended, bili novi. Starost i broj radnih sati zato su mogući dodatni razlozi razlike između dva modela 2+. Istraživanje obuhvata samo PLA određene boje, tri gustine ispune, jedan uzorak ispune i jedan položaj printanja. Rezultati ne utvrđuju ponašanje drugih materijala, kao što su ABS ili PET, niti drugih tehnologija, poput SLA.

Za budući rad predlaže se poređenje printera uz iste parametre printanja, ako je to moguće, kako bi se odvojio uticaj podrazumijevanih profila. Također bi bilo korisno koristiti printere slične starosti i približno istog broja radnih sati. Za studente i istraživače ovo je dobar primjer kako naizgled kontrolisano poređenje može uključivati skrivene razlike u postavkama i stanju opreme.

Zaključak

Studija objavljena 2020. u zborniku 31. DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation pokazuje da se zatezna svojstva FDM printanog PLA materijala mogu razlikovati među modelima Ultimaker printera. Ultimaker 3, S3 i S5 dali su slične rezultate, dok su Ultimaker 2+ extended, a posebno Ultimaker 2+, pokazali niže vrijednosti u poređenjima sile. Procenti pružaju korisno poređenje unutar ispitivanja, ali ih treba tumačiti uzimajući u obzir razlike u Cura profilima i starosti printera, a ne kao univerzalne karakteristike svakog 3D printanog PLA dijela.

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