Brzina deformacije: kako mijenja rezultate FDM 3D printanja?

Izbor brzine ispitivanja može promijeniti izmjerena mehanička svojstva 3D printanog dijela. To je važno kada se rezultati zateznog ispitivanja koriste za poređenje materijala ili procjenu dijela namijenjenog daljnjoj primjeni. U radu Dr. Adija Pandžića ispitano je kako brzina deformacije utiče na tri FDM materijala na bazi PLA polimera.

Ključni nalazi

• Ispitane su epruvete od PLA-a, Tough-PLA-a i PLA-a ojačanog karbonskim vlaknima (CFPLA), pri pet brzina: 0,5, 1, 5, 50 i 100 mm/min.
• Za PLA i Tough-PLA zatezna čvrstoća rasla je s povećanjem brzine ispitivanja; CFPLA nije pokazao dosljedan trend.
• Modul elastičnosti PLA-a i Tough-PLA-a povećavao se s brzinom, dok je kod CFPLA-a zabilježeno smjenjivanje povećanja i smanjenja.
• Kod Tough-PLA-a granica tečenja dostigla je 38,5 MPa pri 50 mm/min, a zatim se smanjila na 36,9 MPa pri 100 mm/min.
• Povećanjem brzine s 0,5 na 100 mm/min vrijeme ispitivanja smanjilo se za do 99,58% za PLA, 99,87% za Tough-PLA i 99,41% za CFPLA.

Zašto je brzina ispitivanja važna

FDM, odnosno modeliranje taloženjem istopljenog materijala, često se naziva i FFF. To je postupak aditivne proizvodnje u kojem 3D printer nanosi termoplastični materijal sloj po sloj. Za razliku od FDM-a, stereolitografija (SLA) pripada postupcima koji koriste tečni materijal. FDM se koristi za prototipe, pojedinačne proizvode i manje serije, a rad navodi primjenu u oblastima poput medicine, aeronautike, arhitekture, elektronike i automobilske industrije.

Mehanička svojstva printanog dijela zavise od niza faktora, uključujući materijal i parametre printanja. Zato rezultat testa nije samo svojstvo filamenta: važni su i način izrade i uslovi ispitivanja. U radu se posebno naglašava da u vrijeme istraživanja nisu postojali zvanični standardi koji definišu metodu mehaničkog ispitivanja FDM materijala. Za geometriju epruvete i ispitivanje korišten je ISO 527-2, a zatim su upoređeni rezultati pri različitim brzinama.

Brzina deformacije u radu je prikazana kao brzina ispitivanja u mm/min. Zatezno ispitivanje postepeno opterećuje epruvetu povlačenjem. Zatezna čvrstoća opisuje najveći nivo naprezanja koji materijal podnese tokom testa, dok granica tečenja označava početak trajne deformacije. Modul elastičnosti, odnosno Youngov modul, pokazuje krutost materijala: veća vrijednost znači da je potrebno veće naprezanje za određenu elastičnu deformaciju.

Šta je ispitano

Istraživanje je obuhvatilo tri materijala: PLA proizvođača Ultimaker, Tough-PLA istog proizvođača i CFPLA proizvođača Proto-Pasta. CFPLA sadrži 15% usitnjenih karbonskih vlakana po masi, prema opisu u radu. U radu se navodi da karbonska vlakna povećavaju krutost materijala, ali da taj filament nije nužno „jači“ od standardnog PLA-a.

Epruvete su izrađene prema standardu ISO 527-2, s ispunom od 100%. PLA i Tough-PLA printani su na printeru Ultimaker S5 sa standardnom AA print jezgrom i mlaznicom od 0,4 mm. Za CFPLA korišten je Ultimaker 2+ sa čeličnom mlaznicom od 0,5 mm, jer se za materijal s vlaknima preporučuje otpornija mlaznica. Visina sloja bila je 0,15 mm za sva tri materijala. PLA i Tough-PLA koristili su Cura profil „Engineering – Normal 0,15 mm“, dok su neki parametri za CFPLA bili prilagođeni.

Ispitivanje je obavljeno na uređaju za zatezanje Shimadzu AGS-X Std. Uređaj ima maksimalni kapacitet od 10 kN, a u ovom radu korištena je ćelija opterećenja od 5 kN. Za svaki materijal i svaku brzinu testirane su tri identične epruvete, a prikazane vrijednosti predstavljaju srednje rezultate. Brzine su bile 0,5, 1, 5, 50 i 100 mm/min.

Kako su se materijali ponašali

Za PLA su zatezna čvrstoća i granica tečenja rasle s povećanjem brzine. Isti opći trend rasta zatezne čvrstoće uočen je kod Tough-PLA-a. Međutim, njegova granica tečenja nije rasla do kraja raspona: od 0,5 do 50 mm/min povećavala se, ali se između 50 i 100 mm/min smanjila s 38,5 MPa na 36,9 MPa.

CFPLA se ponašao drugačije. Njegova zatezna čvrstoća i granica tečenja nisu se stalno povećavale s brzinom, već su rezultati naizmjenično rasli i padali. Prema zaključku rada, promjena granice tečenja CFPLA-a između 0,5 i 5 mm/min nije bila značajna; pri 50 mm/min zabilježen je porast od 15%, a zatim blago smanjenje pri 100 mm/min.

Modul elastičnosti PLA-a bio je 2,9 GPa pri 0,5 i 1 mm/min. Pri 5 mm/min povećao se za 3,4%, na 3 GPa, a do 100 mm/min ostao je na toj vrijednosti. Tough-PLA pokazao je sličan obrazac, s vrijednostima modula između 2,4 i 2,5 GPa. Kod CFPLA-a modul se, poput čvrstoće, smjenjivao između pada i rasta; u radu se navodi da je bio do 50% viši u poređenju s PLA-om i Tough-PLA-om.

Odgovor u pogledu deformacije također je zavisio od materijala. Tough-PLA pokazao je linearno smanjenje deformacije s porastom brzine, dok PLA i CFPLA nisu pratili taj linearni obrazac. Ova razlika upozorava da se ponašanje jednog PLA filamenta ne može automatski pripisati drugom, posebno kada je riječ o kompozitnom materijalu.

Šta rezultati znače za praksu

Za inženjere, dizajnere i timove koji koriste 3D printanje u razvoju proizvoda, glavna poruka je da brzinu ispitivanja treba jasno navesti pri poređenju zateznih rezultata. Vrijednost izmjerena pri jednoj brzini ne mora biti jednaka vrijednosti dobijenoj pri drugoj. To je posebno važno pri izboru podataka za tehničko poređenje FDM materijala.

Za studente i istraživače, rad pokazuje koristan način povezivanja parametra ispitivanja s više osobina: zateznom čvrstoćom, granicom tečenja, modulom elastičnosti, deformacijom i trajanjem testa. Kratko vrijeme testa pri većoj brzini ne znači samo po sebi da je dobijeni rezultat bolji ili prikladniji; vrijednosti treba tumačiti u kontekstu materijala i metode.

Nalazi ne znače da će svaki PLA ili svaki FDM dio reagovati isto. Ispitana su samo tri materijala, jedan skup parametara printanja i tri epruvete po kombinaciji materijala i brzine. Rezultati se zato odnose na uslove opisane u radu, a ne predstavljaju univerzalne vrijednosti za sve printere, geometrije ili primjene.

Ograničenja i naredni koraci

U radu se predlaže da buduća istraživanja koriste više od tri uzorka po testu, širi raspon brzina deformacije i veći broj različitih materijala. Takav pristup mogao bi pružiti potpuniju sliku o tome kako brzina utiče na mehanička svojstva FDM dijelova. Za poređenje rezultata važno je uz brzinu navesti i materijal, printer, mlaznicu, visinu sloja, ispunu i ostale relevantne uslove izrade.

Zaključak

Istraživanje objavljeno u zborniku Proceedings of the 31st DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation pokazalo je da brzina ispitivanja utiče na izmjerena zatezna svojstva epruveta od PLA-a, Tough-PLA-a i CFPLA-a, ali ne na isti način za svaki materijal. Rad Dr. Adija Pandžića pokazuje da rezultati podržavaju potrebu da se uslovi ispitivanja dosljedno navode i pažljivo uzimaju u obzir pri poređenju FDM materijala.

Česta pitanja

Koje brzine ispitivanja su korištene?

Ispitane su brzine od 0,5, 1, 5, 50 i 100 mm/min za svaki od tri materijala.

Koji materijali su testirani?

Testirani su Ultimaker PLA, Ultimaker Tough-PLA i Proto-Pasta CFPLA, odnosno PLA ojačan karbonskim vlaknima.

Da li je veća brzina uvijek povećala čvrstoću?

Ne. PLA i Tough-PLA pokazali su rast zatezne čvrstoće s povećanjem brzine, dok je CFPLA pokazao promjenjive rezultate. Kod Tough-PLA-a granica tečenja smanjila se između 50 i 100 mm/min.

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