FDM 3D printanje omogućava izradu prototipova i funkcionalnih dijelova, ali svojstva gotovog proizvoda ne određuje samo naziv materijala na kalemu. Filament se tokom printanja zagrijava, nanosi u slojevima i hladi, pa na konačnu čvrstoću utiču materijal, podešavanja procesa i način ispitivanja.
Ključne poruke
- Pregled obuhvata filamente od termoplastičnih polimera, polimerne mješavine i fizičke pojave tokom FDM procesa.
- Svojstva zavise od vrste filamenta, orijentacije printanja, visine sloja, gustine i oblika ispune, temperature i brzine printanja, između ostalih faktora.
- U tabeli pregleda, zatezna čvrstoća PEEK-a navedena je kao 98 MPa, PLA kao 48 MPa, a ABS kao 28 MPa. To su podaci za odabrane materijale i proizvođače, a ne univerzalne vrijednosti za svaki print.
- Zagrijavanje i hlađenje stvaraju temperaturne gradijente i zaostala naprezanja, koja mogu doprinijeti deformacijama i promjenama mehaničkih svojstava.
- U radu se navodi da se za mehaničko ispitivanje FDM polimera često koriste postojeći standardi za polimere, iako nisu posebno razvijeni za sve strukture izrađene FDM postupkom.
- Za smisleno poređenje rezultata potrebno je navesti materijal i proizvođača, boju, printer, parametre izrade, geometriju epruvete i uslove ispitivanja.
Zašto su svojstva FDM dijela složen problem?
Aditivna proizvodnja izrađuje predmet dodavanjem materijala sloj po sloj. FDM, odnosno Fused Deposition Modeling, poznat i kao Fused Filament Fabrication, pripada postupcima ekstruzije materijala: termoplastični filament prolazi kroz zagrijanu mlaznicu i nanosi se prema putanji definisanoj G-kodom. Prednost pristupa je mogućnost izrade složenih i prilagođenih dijelova, od prototipova i alata do proizvoda za različite primjene.
Međutim, ulazni filament i gotovi FDM dio nisu isto u smislu svojstava. Tokom izrade filament prolazi kroz zagrijavanje, istiskivanje i hlađenje, a oblik dijela i raspored materijala dodatno zavise od postavki printanja. Zato nije dovoljno reći da je dio „od PLA“ ili „od ABS-a“: stvarno ponašanje zavisi i od toga kako je filament prerađen i kako je dio oblikovan.
Rad Dr. Adija Pandžića objavljen je 2024. godine u zborniku 35th DAAAM International Symposium. To je pregled relevantne literature, a ne izvještaj o jednom eksperimentu koji je izveden na vlastitom printeru. Zbog toga se rad ne oslanja na jedan skup epruveta, jedan 3D printer ili jednu kombinaciju parametara.
Koje filamente i materijale razmatra pregled?
U radu se opisuje širok raspon materijala koji se nude ili istražuju za FDM. Među njima su termoplasti kao što su PLA, ABS, PC, PETG, najlon, PA6, PA12, PP i PEEK, zatim ASA i elastični TPU i TPE. Razmatraju se i mješavine polimera, uključujući PC/ABS i PC/PEI, kao i materijali za potporne strukture.
PLA je popularan jer se može printati na pristupačnim desktop printerima bez zatvorene komore, a u radu se navodi da ima nižu temperaturu printanja i niži koeficijent toplotnog širenja od ABS-a. Ipak, PLA ima ograničenu otpornost na toplotu i može se deformisati na temperaturama oko 50 °C; u radu se navodi i njegova relativna krtost. ABS je žilav i otporan na udar, ali se može skupljati, naročito kod većih ili složenijih geometrija, pa može zahtijevati zagrijanu podlogu i zatvorenu komoru.
PEEK i PEI su primjeri visokoperformansnih polimera, ali ih je zahtjevnije obrađivati zbog visokih temperatura. Za PEEK i PEI u radu se navode temperature mlaznice iznad 360 °C. Pomoćni materijali takođe imaju praktičnu ulogu: kod printera s dvije glave potporna struktura može biti od drugog materijala, poput PVA koji se rastvara u vodi. Kod ABS-a se kao potpora koristi i HIPS, koji se rastvara u d-limonenu.
Kako proces oblikovanja utiče na svojstva?
Nakon što se filament zagrije do polurastopljenog stanja i istisne kroz mlaznicu, toplota se prenosi kroz materijal i između dijela i okoline. U radu se opisuju provođenje, konvekcija i zračenje kao načini prenosa toplote. Zbog zagrijavanja i hlađenja nastaju temperaturni gradijenti — razlike u temperaturi unutar dijela i između slojeva — koji mogu izazvati zaostala naprezanja. Ta naprezanja mogu dovesti do izvijanja ili drugih deformacija tokom izrade i nakon nje.
Na mehanička svojstva utiču i parametri geometrije i procesa. Pregled navodi orijentaciju dijela tokom izrade, visinu sloja, oblik i gustinu ispune, ugao i širinu putanje materijala, razmak između putanja, temperaturu i brzinu printanja. Ispuna je unutrašnja struktura dijela; njena gustina i oblik određuju kako je materijal raspoređen unutar vanjskih zidova. Ove varijable su povezane, pa njihov zajednički uticaj nije jednostavno predvidjeti samo na osnovu jednog parametra.
U radu se također navodi da povećanje temperature radnog prostora sa 25 °C na 200 °C poboljšalo je kristaliničnost i mehanička svojstva FDM printanog PEEK-a u jednom od citiranih istraživanja. To je rezultat ranijeg rada koji je naveden u pregledu, a ne eksperiment proveden u ovom članku. Za PEEK se spominje i da se pri određenim višim temperaturama mlaznice poroznost može smanjiti, dok se kristaliničnost može povećati; pregrijavanje ipak može izazvati degradaciju polimera.
Šta govore vrijednosti zatezne čvrstoće?
Zatezna čvrstoća opisuje najveće naprezanje koje materijal podnosi pri istezanju prije otkaza. Tabela u radu navodi vrijednosti za odabrane FDM materijale, ali ih treba čitati kao pregled podataka vezanih za konkretne proizvođače, a ne kao direktno poređenje u jedinstvenom eksperimentu. Primjeri iz tabele su 48 MPa za PLA koji navodi Stratasys, 28 MPa za ABS koji navodi Stratasys i 98 MPa za PEEK koji navodi Victrex.
Te brojke same po sebi ne dokazuju da će svaki PEEK dio biti čvršći od svakog PLA dijela. Materijal, boja, model printera, parametri izrade, geometrija epruvete i metoda ispitivanja mogu se razlikovati. U radu se posebno navode istraživanja u kojima su uočene razlike u zateznim svojstvima PLA materijala različitih boja i proizvođača, kao i uzoraka izrađenih na različitim modelima printera. Na izmjerena svojstva može uticati i brzina deformacije tokom ispitivanja.
Standardi i praktično tumačenje rezultata
Pregled spominje ISO 17296-3:2014, koji opisuje opće karakteristike aditivne proizvodnje i povezane metode ispitivanja, te ISO/ASTM 52921:2013, koji se odnosi na terminologiju koordinatnih sistema i metodologije ispitivanja. U radu se napominje da ovi dokumenti ne predstavljaju posebne standarde za mehaničko ispitivanje FDM polimera. Ispitivanja se uglavnom oslanjaju na postojeće ISO i ASTM standarde za polimere, često razvijene za materijale proizvedene konvencionalnim postupcima poput injekcijskog prešanja.
Ovo je važno zato što FDM dijelovi mogu biti puni, imati unutrašnju ispunu ili biti izrađeni kao rešetkaste i ćelijske strukture. Standardna epruveta za puni materijal ne mora u potpunosti opisati ponašanje takvih geometrija. Za inženjere i dizajnere praktična poruka je da pri izboru materijala i poređenju podataka provjere kako je uzorak napravljen i ispitan. Za studente i istraživače rad pokazuje zašto su kontrola parametara i jasno izvještavanje jednako važni kao i sam rezultat mjerenja.
Ograničenja i naredni koraci
Kao pregled literature, članak objedinjuje prethodna istraživanja i podatke o materijalima, ali ne utvrđuje jednu univerzalnu vrijednost svojstva za svaki filament. U radu se naglašava da postojeći standardi imaju ograničenja kada se primjenjuju na FDM strukture i da su potrebne dodatne smjernice, naročito za dijelove s ispunom te rešetkaste i ćelijske materijale. Proizvođači bi, prema zaključku rada, uz numeričke vrijednosti trebali navesti i osnovne informacije o materijalu, boji, printeru, parametrima i postupku ispitivanja.
Za buduća istraživanja u radu se preporučuje širenje analize izvan polimera, na kompozite, metale i druge materijale, kao i razmatranje drugih tehnologija aditivne proizvodnje. Zaključno, pouzdano FDM 3D printanje ne zavisi od jednog „najboljeg“ filamenta, nego od usklađivanja materijala, procesa, geometrije i odgovarajućeg ispitivanja. Bez tih podataka, pojedinačna vrijednost čvrstoće teško se može pravilno protumačiti ili ponoviti.
| Autori rada | Adi Pandžić, Damir Hodžić, Ismar Hajro, Petar Tasić |
|---|---|
| Objavljeno u | Proceedings of the 35th DAAAM International Symposium, 2024, pp. 0121–0134 |
| Datum objave | 17. januar 2024. |
| DOI | 10.2507/35th.daaam.proceedings.016 |
| Cijeli rad | researchgate.net |
Česta pitanja
Koji faktori utiču na čvrstoću FDM printanog dijela?
Uticaj imaju vrsta filamenta, orijentacija printanja, visina sloja, oblik i gustina ispune, temperatura, brzina printanja i drugi parametri. Na rezultat utiču i printer, geometrija uzorka i uslovi ispitivanja.
Koju zateznu čvrstoću rada navodi za PLA i PEEK?
U tabeli za odabrane materijale navedeno je 48 MPa za PLA i 98 MPa za PEEK. To su vrijednosti iz podataka proizvođača navedenih u pregledu, a ne univerzalne vrijednosti za sve FDM dijelove od tih polimera.
Postoje li posebni standardi za ispitivanje FDM polimera?
U radu se navodi da se uglavnom koriste postojeći ISO i ASTM standardi za polimere, ali da su posebne smjernice potrebne za FDM karakteristike, posebno za dijelove s ispunom i rešetkaste ili ćelijske strukture.
Tekst je napisan na osnovu objavljenog naučnog rada; za detalje i citiranje koristite originalni rad. O autoru
