3D printanje: koji uzorak ispune daje jače PLA i PC?

Kod FDM 3D printanja odluka o unutrašnjoj strukturi dijela utiče na više od količine utrošenog filamenta: može promijeniti i način na koji se dio ponaša pod opterećenjem. Dizajnerima i inženjerima zato je korisno znati da li različiti oblici ispune daju mjerljivo različite zatezne osobine, čak i kada su gustina i ugao ispune isti. U radu Dr. Adija Pandžića porede se sedam uzoraka ispune za PLA, Tough PLA i PC.

Ključni nalazi

• Ispitivano je sedam uzoraka ispune pri gustini od 60% i uglu od 45°: Cubic Subdivision, Cubic, Grid, Octet, Quarter Cubic, Triangles i Tri-Hexagon.
• Za PLA, najvišu zateznu čvrstoću imali su Octet (45,57 MPa) i Grid (45,53 MPa), a najnižu Quarter Cubic (38,40 MPa).
• Za Tough PLA, Grid je dao najvišu zateznu čvrstoću (40,10 MPa), a Quarter Cubic najnižu (36,40 MPa).
• Za PC, Octet je imao najvišu zateznu čvrstoću (50,03 MPa), dok je Cubic Subdivision imao najnižu (47,20 MPa).
• Najviši prijavljeni modul elastičnosti bio je 2,40 GPa za PLA s uzorkom Octet; PC je imao najnižu vrijednost, 1,80 GPa, za Cubic Subdivision.
• U radu se zaključuje da uzorak ispune utiče na zatezna svojstva, ali da se rezultati odnose na ispitane materijale i postavke printanja.

Zašto je važan oblik ispune

Aditivna proizvodnja gradi predmet sloj po sloj na osnovu 3D modela. Kod FDM-a, odnosno tehnologije ekstruzije materijala, 3D printer zagrijava filament i polaže ga kroz mlaznicu. Dio se često ne izrađuje kao potpuno puna masa: ispuna je unutrašnja struktura unutar vanjskih zidova. Njena gustina i oblik mogu se podešavati u programu za pripremu printanja.

Ispuna može smanjiti potrošnju materijala, masu proizvoda i vrijeme printanja u odnosu na punu strukturu. Međutim, kada je dio opterećen, njegova svojstva zavise i od toga kako je ta unutrašnja struktura raspoređena. Zatezna čvrstoća opisuje najveće zatezno naprezanje koje materijal podnosi tokom ispitivanja prije nego što popusti. Modul elastičnosti pokazuje koliko je materijal krut u elastičnom području: veća vrijednost obično znači da se manje deformiše pod istim naprezanjem.

Rad se usredotočuje na jedan parametar geometrije ispune — njen uzorak. U radu se navodi da je cilj bio uporediti PLA, Tough PLA i PC s istom gustinom i uglom ispune, umjesto da se istovremeno mijenja više postavki. Takav pristup olakšava poređenje uzoraka unutar obuhvata eksperimenta, ali ne znači da je jedan uzorak najbolji za sve vrste dijelova ili sve uslove upotrebe.

Šta je ispitano

Korišteni su crni filamenti proizvođača Ultimaker: PLA, Tough PLA i PC, odnosno polikarbonat. Za svaki materijal analizirano je sedam uzoraka dostupnih u Cura 4,8 i označenih kao „strong“: Cubic Subdivision (CS), Cubic (CU), Grid (G), Octet (OC), Quarter Cubic (QC), Triangles (T) i Tri-Hexagon (TH).

Epruvete oblika dog-bone modelirane su u Solidworksu prema standardu ISO 527-2, a priprema printanja obavljena je u programu Cura 4,8. Za svaki materijal i uzorak ispune izrađene su tri replike, odnosno ukupno 63 epruvete. Printano je na 3D printerima Ultimaker S5 i S3. U radu se navodi da su, radi smanjenja uticaja vanjskih faktora, korišteni isti printer i isti položaj na podlozi za printanje.

Postavke su uključivale visinu sloja od 0,15 mm, mlaznicu prečnika 0,4 mm, gustinu ispune od 60% i ugao ispune od 45°. Temperatura printanja bila je 200 °C za PLA, 215 °C za Tough PLA i 280 °C za PC. Brzina printanja iznosila je 70 mm/s za PLA, 45 mm/s za Tough PLA i 50 mm/s za PC; brzina printanja ispune bila je 50 mm/s za sva tri materijala.

Ispitivanje na zatezanje izvedeno je na mašini Shimadzu AGS-X maksimalne sile 10 kN, prema standardu ISO 527-2, pri brzini od 5 mm/min i sobnoj temperaturi. Snimljeni rezultati statistički su analizirani u Excelu. Rad ne navodi detalje o statističkom testu ili p-vrijednostima, pa rezultate treba čitati kao poređenje prijavljenih prosječnih vrijednosti, a ne kao dokaz određene statističke značajnosti.

Rezultati: razlike između materijala i uzoraka

Za PLA, zatezna čvrstoća kretala se od 38,40 MPa za Quarter Cubic do 45,57 MPa za Octet. Grid je bio vrlo blizu maksimuma, s 45,53 MPa. Modul elastičnosti bio je u rasponu od 2,10 GPa za Quarter Cubic do 2,40 GPa za Octet. U zaključku rada navodi se da je zatezna čvrstoća PLA varirala do 17%, a modul elastičnosti do 9%, zavisno od uzorka.

Kod Tough PLA, najvišu zateznu čvrstoću imao je Grid, s 40,10 MPa. Najnižu je imao Quarter Cubic, s 36,40 MPa. Modul elastičnosti iznosio je 2,10 GPa za šest uzoraka, dok je za Quarter Cubic bio 2,00 GPa. U radu se navodi da je zatezna čvrstoća varirala do 10%, a da je modul elastičnosti za Quarter Cubic bio do 5% niži u odnosu na vrijednost od 2,10 GPa.

Za PC, rezultati zatezne čvrstoće bili su između 47,20 MPa za Cubic Subdivision i 50,03 MPa za Octet. Modul elastičnosti iznosio je 1,90 GPa za šest uzoraka, a 1,80 GPa za Cubic Subdivision. Prema zaključku rada, zatezna čvrstoća PC-a varirala je do 6%, a modul elastičnosti za Cubic Subdivision bio je do 5% niži.

U poređenju materijala kroz ispitane uzorke, PC je imao najvišu zateznu čvrstoću, dok je Tough PLA imao najnižu. PLA je imao najviše vrijednosti modula elastičnosti, a PC najniže. To su rezultati za konkretne crne Ultimaker filamente i postavke ovog eksperimenta, a ne univerzalne vrijednosti za sve proizvode od tih polimera.

Šta rezultati znače za praksu

Za inženjere, dizajnere proizvoda i stručnjake koji koriste 3D printanje, nalaz je praktičan: uzorak ispune može uticati na zateznu čvrstoću, pa izbor postavke ne bi trebalo zasnivati samo na izgledu ili pogodnosti u softveru. U ovom ispitivanju Grid je dao najvišu čvrstoću za Tough PLA, dok je Octet bio najbolji prema toj mjeri za PLA i PC. Quarter Cubic je imao najnižu zateznu čvrstoću kod sva tri materijala.

Ipak, izbor treba vezati za zahtjeve konkretnog dijela. Ako je ključna krutost, treba uzeti u obzir i modul elastičnosti: u ovom eksperimentu Octet je dao najvišu vrijednost za PLA, dok su rezultati za Tough PLA i PC uglavnom bili slični među uzorcima. Studenti mogu koristiti ovaj rad kao primjer eksperimentalnog izdvajanja jednog faktora, uz održavanje konstantne gustine i ugla ispune.

Nalazi ne daju osnovu da se jedan materijal ili uzorak proglasi najboljim za medicinsku, vojnu, obrazovnu ili drugu namjenu. Za odabir u odnosu na konkretno opterećenje potrebna su ispitivanja relevantna za stvarni dio, uključujući dodatne vrste opterećenja kada su važne. Također, rezultati za FDM ne mogu se direktno prenijeti na SLA, jer ta tehnologija i postupak izrade nisu bili predmet ovog eksperimenta.

Ograničenja i naredna istraživanja

Istraživanje obuhvata tri materijala, sedam uzoraka ispune, gustinu od 60% i ugao od 45°. Nisu upoređene različite gustine ili uglovi, niti su ispitane druge marke i boje filamenta. U radu se posebno napominje da proizvođač, boja i parametri printanja mogu uticati na mehanička svojstva; zato se zaključci ne mogu bez provjere prenijeti na druge filamente, mašine ili dijelove.

Svaki uzorak materijala i ispune imao je tri replike. Ispitivanje je bilo ograničeno na zateznu čvrstoću i modul elastičnosti. U budućim istraživanjima preporučuje se analiza gustine i ugla ispune, zajedničko razmatranje parametara i njihovih međudjelovanja, kao i povezivanje mehaničkih svojstava s vremenom izrade i količinom utrošenog materijala. Predlažu se i ispitivanja pritisnih i savojnih svojstava.

Zaključak

Ovaj rad pokazuje da oblik ispune može promijeniti zatezne rezultate FDM printanih dijelova, čak i pri istoj gustini od 60% i uglu od 45°. U ispitivanim uslovima Octet je dao najvišu zateznu čvrstoću za PLA i PC, a Grid za Tough PLA; Quarter Cubic je bio najslabiji prema toj mjeri za sva tri materijala. Praktična poruka za projektovanje jeste da uzorak ispune treba birati u odnosu na tražena svojstva, a ne pretpostavljati da će isti obrazac dati najbolje rezultate za svaki materijal.

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