Izlaganje sunčevoj ili drugoj ultraljubičastoj (UV) svjetlosti može promijeniti ponašanje plastičnih dijelova, pa svojstva novoprintane epruvete ne moraju ostati ista nakon starenja. To je važno pri odabiru materijala za 3D printanje i procjeni dijelova koji će raditi u okruženju s UV zračenjem. U radu Dr. Adija Pandžića upoređuju se zatezna i savojna čvrstoća FDM printanih epruveta od polikarbonata (PC) i polilaktične kiseline (PLA), prije i nakon kontrolisanog izlaganja UV zračenju.
Ključni nalazi
- Nakon 24 sata kontinuiranog UV izlaganja, srednja zatezna čvrstoća PC-a smanjila se sa 58,500 MPa na 57,560 MPa.
- Kod PLA materijala srednja zatezna čvrstoća porasla je sa 42,140 MPa na 46,760 MPa.
- Srednja savojna čvrstoća povećala se kod oba materijala: PC sa 89,956 MPa na 92,986 MPa, a PLA sa 77,140 MPa na 87,239 MPa.
- Za poređenja kontrolnih i UV tretiranih grupa t-test je pokazao statistički značajne razlike u zateznoj i savojnoj čvrstoći.
- U ovom eksperimentu promjene su bile izraženije kod PLA nego kod PC-a, ali rezultati važe za ispitane materijale i uslove.
Zašto je važno ispitati UV uticaj na 3D printane dijelove
Aditivna proizvodnja izrađuje predmet dodavanjem materijala sloj po sloj. FDM, odnosno modeliranje taloženjem istopljenog materijala, čest je postupak 3D printanja u kojem se filament polaže u slojeve. Dobijeni dio može se koristiti u različitim fazama razvoja proizvoda, ali njegovo ponašanje zavisi i od materijala, parametara printanja i uslova okoline.
UV izlaganje je jedan od faktora koji može uticati na plastične materijale. Rezultati istraživanja o jednom polimeru ili jednoj vrsti UV tretmana ne moraju važiti za druge materijale i uslove. Zato su u radu posebno upoređeni PC i PLA, umjesto da se pretpostavi da će reagovati jednako. Rad se usmjerava na dvije mjerljive osobine: zateznu čvrstoću, odnosno otpor materijala sili koja ga razvlači, i savojnu čvrstoću, odnosno otpor opterećenju pri savijanju.
Šta je testirano
Izrađeno je ukupno 20 epruveta na Ultimaker S5 3D printeru: deset od PC-a i deset od PLA-a. Za svaki materijal pet epruveta činilo je kontrolnu grupu, koja nije bila izložena UV zračenju, a pet je činilo tretiranu grupu. Epruvete su printane u ravnoj XY orijentaciji, sa gustinom ispune od 100%. Ispuna označava unutrašnju strukturu koja popunjava dio; ovdje je puna gustina korištena za izradu čvrste strukture.
Visina sloja bila je 0,15 mm za oba materijala. Za PLA su korišteni temperatura printanja od 200 °C, temperatura podloge od 60 °C, brzina printanja 70 mm/s i brzina ventilatora 100%. Za PC su postavke bile 280 °C, 110 °C, 50 mm/s i brzina ventilatora 0%.
UV tretman proveden je prema ISO 4892-3, Metoda B, uz 24 sata kontinuiranog izlaganja u komori. Temperatura komore bila je 50 °C. U radu se navodi komora Formlabs Cure.
Epruvete su ispitane na univerzalnoj ispitnoj mašini Shimadzu AGS-X, brzinom 5 mm/min. Dizajn epruveta opisan je u skladu sa ISO 527-2 za zatezanje i ISO 178 za savijanje. U opisu samog ispitivanja rad navodi ISO 527-1 za zatezanje i ISO 187 za savijanje. Za poređenje kontrolnih i tretiranih grupa korišteni su t-testovi.
Rezultati ispitivanja na zatezanje
Srednja zatezna čvrstoća kontrolnih PC epruveta iznosila je 58,500 MPa, dok je za UV tretiranu grupu iznosila 57,560 MPa. U radu se navodi srednja razlika od 0,939 MPa i statistički značajan rezultat testa (t=6,549, p=0,000). Smjer promjene pokazuje blago smanjenje zatezne čvrstoće PC-a nakon tretmana.
Za PLA su kontrolne epruvete imale srednju zateznu čvrstoću od 42,140 MPa, a UV tretirane 46,760 MPa. Prijavljena srednja razlika iznosila je -4,620 MPa, uz t=-3,955 i p=0,004. U ovom skupu podataka zatezna čvrstoća PLA-a nakon tretmana bila je veća. Predznak srednje razlike zavisi od poretka grupa u poređenju; srednje vrijednosti jasno pokazuju smjer promjene.
Dakle, rezultati nisu pokazali jedinstven odgovor oba polimera. PC i PLA su se razlikovali po smjeru promjene zatezne čvrstoće, a u radu se zaključuje da je uticaj UV tretmana bio izraženiji za PLA.
Rezultati ispitivanja na savijanje
Savojna čvrstoća se povećala za oba materijala. Kod PC-a srednja vrijednost porasla je sa 89,956 MPa u kontrolnoj grupi na 92,986 MPa nakon UV tretmana. Prijavljena srednja razlika bila je -3,032 MPa, uz t=-10,501 i p=0,000.
Kod PLA-a srednja savojna čvrstoća porasla je sa 77,140 MPa na 87,239 MPa. Srednja razlika iznosila je -10,098 MPa, uz t=-10,955 i p=0,000. U radu se za oba materijala zaključuje da je razlika statistički značajna i da je UV tretman imao veći uticaj na savojnu čvrstoću PLA-a nego PC-a. Ove vrijednosti predstavljaju prosjek pet epruveta u svakoj grupi, a ne garanciju za svaku pojedinačnu printanu komponentu.
Šta rezultati znače za inženjere i dizajnere
Za razvoj proizvoda, nalaz je praktično upozorenje da se ne može pretpostaviti kako će UV zračenje jednako djelovati na različite FDM materijale. U ovom eksperimentu PLA je nakon tretmana imao veću izmjerenu zateznu i savojnu čvrstoću, dok je kod PC-a zatezna čvrstoća bila niža, a savojna viša. Odabir materijala zato treba povezati s vrstom opterećenja i uslovima rada, a ne samo s nominalnim svojstvima filamenta.
Ipak, istraživanje ne dokazuje da će dijelovi od PLA-a ili PC-a dugoročno biti jači na otvorenom. Tretman je trajao 24 sata u laboratorijskoj komori, a ispitani su samo odabrani materijali, postavke printanja i ravna XY orijentacija. Rad ne daje osnovu za predviđanje vijeka trajanja proizvoda, promjena boje ili ponašanja pri drugim vrstama opterećenja. Za primjenu u razvoju proizvoda, edukaciji ili industrijskom prototipiranju rezultate je korisno posmatrati kao poređenje u kontrolisanim uslovima, a ne kao univerzalnu specifikaciju.
Ograničenja i naredni koraci
U svakoj grupi ispitano je pet epruveta. To omogućava poređenje u okviru ovog eksperimenta, ali obim uzorka je mali i ne obuhvata varijacije svih filamenata, printera i postavki. Istraživanje je koristilo jedan model printera, jednu orijentaciju i po jedan skup parametara za svaki materijal. Testirani su zatezna i savojna čvrstoća; drugi pokazatelji mehaničkog ponašanja nisu obuhvaćeni ovim rezultatima.
U radu se poziva na dalja istraživanja kako bi se bolje razumjeli mehanizmi različitih reakcija PC-a i PLA-a i optimizirale njihove performanse pri UV izlaganju. Budući radovi mogli bi provjeriti druge uslove i parametre, ali ovaj članak sam po sebi ne određuje koji bi uslovi bili optimalni. Za praktičnu validaciju konkretnog proizvoda potrebno je ispitati materijal i postupak koji će se zaista koristiti.
Zaključak
Studija objavljena u TEM Journalu 2023. pokazuje da 24 sata kontinuiranog UV tretmana nije proizvelo isti odgovor kod FDM printanih PC i PLA epruveta. Zatezna čvrstoća PC-a se smanjila, dok se kod PLA-a povećala; savojna čvrstoća porasla je kod oba materijala. Razlike su bile statistički značajne prema t-testovima prikazanim u radu. Rezultati naglašavaju da procjena 3D printanog dijela treba uzeti u obzir konkretan polimer i uslove izlaganja, uz dodatna ispitivanja prije zaključaka o dugotrajnoj upotrebi.
| Autori rada | Adi Pandžić, Damir Hodžić, Džana Kadrić, Edin Kadrić |
|---|---|
| Objavljeno u | TEM Journal, 2023, Volume 12, Issue 4, pp. 1921–1928 |
| Datum objave | 9. novembar 2023. |
| DOI | 10.18421/TEM124-01 |
| Cijeli rad | researchgate.net |
Česta pitanja
Kako je UV zračenje uticalo na zateznu čvrstoću PLA-a i PC-a?
Nakon 24 sata tretmana, srednja zatezna čvrstoća PLA-a porasla je sa 42,140 MPa na 46,760 MPa, dok se kod PC-a smanjila sa 58,500 MPa na 57,560 MPa.
Da li se savojna čvrstoća PLA-a i PC-a promijenila nakon UV tretmana?
Da. Srednja savojna čvrstoća porasla je sa 89,956 MPa na 92,986 MPa za PC i sa 77,140 MPa na 87,239 MPa za PLA.
Kako su FDM epruvete izložene UV zračenju?
Epruvete su kontinuirano izlagane UV zračenju 24 sata prema ISO 4892-3, Metoda B, u komori podešenoj na 50 °C.
Tekst je napisan na osnovu objavljenog naučnog rada; za detalje i citiranje koristite originalni rad. O autoru
