FDM 3D printanje PLA: koliko se razlikuju proizvođači?

Odabir PLA filamenta za FDM 3D printanje često se svodi na cijenu i podatke iz tehničkog lista, ali različiti proizvodi označeni istim nazivom materijala ne moraju pokazati jednake rezultate. To je važno kada se printani dio procjenjuje prema tome koliko opterećenja može podnijeti, a ne samo prema izgledu. U istraživanju objavljenom 2020. godine upoređeno je pet PLA filamenata različitih proizvođača nakon printanja i ispitivanja pod jednakim uslovima.

Ključni nalazi

• Ispitano je pet PLA filamenata, a za svakog proizvođača pripremljeno je po pet epruveta, ukupno 25.
• Sve epruvete printane su na istom Ultimaker S5 3D printeru, istim parametrima, u bijeloj boji i u ravnoj orijentaciji.
• Najveću zateznu čvrstoću imao je PLA PM Filament, 62,7 MPa; najmanju 3D Republika, 52,9 MPa. Razlika među materijalima iznosila je do 17%.
• Granica razvlačenja bila je najviša za Ultimaker, 36,3 MPa, a najniža za PM Filament, 26,0 MPa, odnosno 33% niža od najveće vrijednosti.
• Modul elastičnosti iznosio je 2,9 GPa za Ultimaker, Devil Design i PM Filament, a 2,7 GPa za 3D Republika i Prima Select.
• Rezultati deformacije bili su posebno neujednačeni: kod 3D Republika navedena je deformacija od 40% do 90%.

Zašto je važno porediti PLA filamente

FDM, odnosno modeliranje taloženjem rastopljenog materijala, gradi predmet nanošenjem termoplastike sloj po sloj. PLA je popularan filament jer se često koristi u 3D printanju, ali oznaka „PLA“ sama po sebi ne garantuje da će proizvodi različitih proizvođača imati iste mehaničke osobine. U radu se navodi da se cijene filamenata za istu vrstu materijala mogu razlikovati i do 50%, pa je cilj bio provjeriti postoje li mjerljive razlike u čvrstoći i može li se cijena opravdati rezultatima.

Za dizajnere, inženjere i studente važno je razlikovati osobine osnovnog materijala od osobina gotovog FDM dijela. Na rezultat mogu uticati i parametri printanja. Zato su u ovom istraživanju zadržani jednaki uslovi izrade, a mijenjan je proizvođač filamenta. Takvo poređenje omogućava sagledavanje razlika u okviru konkretnog eksperimenta, ali ne predstavlja univerzalnu rang-listu svih PLA proizvoda ili svih načina printanja.

Šta su ispitivali i kako

Ispitivanje je obuhvatilo PLA filamente pet proizvođača: 3D Republika, Ultimaker, DevilDesign, PrimaSelect i PM Filament. Materijali su bili iste, bijele boje. U radu su korištene epruvete oblika dogbone, odnosno epruvete sa suženim središnjim dijelom, pripremljene prema ISO 527-2. CAD model napravljen je u programu SolidWorks, a zatim pripremljen za printanje u programu CURA slicer, verzija 4.5.

Epruvete su printane na Ultimaker S5 printeru, s mlaznicom prečnika 0,40 mm, visinom sloja 0,15 mm, debljinom zida 1,00 mm, gustinom ispune 100% i brzinom printanja 70,00 mm/s. „Gustina ispune“ opisuje koliko je unutrašnjost modela ispunjena materijalom; u ovom slučaju korištena je puna ispuna. Sve epruvete postavljene su u istoj, ravnoj orijentaciji na podlozi. Iako su proizvođači u svojim specifikacijama navodili različite preporučene temperature i prečnike filamenta, u eksperimentu su uzorci printani istim parametrima.

Za svakog proizvođača napravljeno je pet epruveta. Nakon printanja, ispitane su na Shimadzu AGS-X Std mašini za zatezanje prema ISO 527-2, uz brzinu deformacije 5 mm/min. Ispitivanje na zatezanje podrazumijeva povlačenje epruvete dok se ne deformiše i ne pukne. U radu se navodi da su bilježene sile i mehanički rezultati, a prikazani podaci predstavljaju srednje vrijednosti pet ispitanih uzoraka za svaki filament.

Rezultati zateznih ispitivanja

Najveća izmjerena maksimalna sila prije loma bila je 2511,3 N za PM Filament, dok je najniža bila 2115,9 N za 3D Republika. Sila i zatezna čvrstoća nisu isto: zatezna čvrstoća opisuje otpor materijala na povlačenje i u radu je izražena u MPa. Po tom pokazatelju PM Filament imao je najveću vrijednost, 62,7 MPa, a 3D Republika najmanju, 52,9 MPa. U radu se navodi da je razlika u zateznoj čvrstoći među pet PLA materijala bila do 17%.

Drugačiji poredak pojavio se kod granice razvlačenja, odnosno napona pri kojem materijal počinje trajno da se deformiše. Najvišu vrijednost imao je Ultimaker sa 36,3 MPa. Najniža vrijednost bila je 26,0 MPa za PM Filament, što je 33% manje od najviše izmjerene vrijednosti. To pokazuje zašto jedan pokazatelj ne treba koristiti kao zamjenu za sve ostale: filament s najvećom zateznom čvrstoćom u ovom ispitivanju nije imao i najveću granicu razvlačenja.

Modul elastičnosti opisuje krutost materijala, odnosno koliko se opire elastičnoj deformaciji. Ultimaker, Devil Design i PM Filament imali su modul od 2,9 GPa, dok su 3D Republika i Prima Select imali 2,7 GPa. U radu se razlika za ovaj pokazatelj navodi kao 7%. Kod deformacije, rezultati PLA filamenta 3D Republika bili su neuobičajeni u odnosu na ostale materijale: zabilježene vrijednosti kretale su se od 40% do 90%, a razlika u deformaciji u poređenju s drugim filamentima dostizala je 170%.

U radu se razmatralo i rasipanje rezultata, odnosno koliko se pojedinačna mjerenja razlikuju među ponovljenim uzorcima iste marke. Za zateznu čvrstoću uočeno je nešto veće rasipanje kod 3D Republika, s razlikom do 12%. Kod deformacije je rasipanje bilo izraženije: za 3D Republika do 68%, a za Ultimaker do 56%. To su rezultati ovog skupa od pet epruveta po proizvođaču, a ne garancija ponašanja svake buduće role filamenta.

Šta rezultati znače u praksi

Za inženjera ili dizajnera koji bira materijal, poruka nije da je jedan filament najbolji u svakoj situaciji. PM Filament imao je najveću zateznu čvrstoću i maksimalnu silu u ovom testu, dok je Ultimaker imao najvišu granicu razvlačenja. Ako je za konkretan dio važna deformacija prije loma, neobični i raspršeni rezultati 3D Republika zaslužuju dodatnu provjeru. Izbor materijala zato treba povezati s vrstom opterećenja i osobinom koja je za dio najvažnija.

Za studente, istraživače i laboratorije, rad pokazuje vrijednost kontrolisanog poređenja: isti printer, geometrija, parametri, boja, orijentacija i testni postupak olakšavaju razmatranje razlika među filamentima. Istovremeno, rezultati se odnose na ispitane PLA proizvode i na navedene uslove FDM printanja. Ne treba ih automatski prenositi na druge boje, printere, geometrije, orijentacije ili proizvodne postavke.

Ograničenja i naredni koraci

U radu se ističe da nedostatak standarda za FDM printane materijale otežava poređenje mehaničkih osobina i provjeru vrijednosti iz specifikacija proizvođača. U radu se navodi i da je Ultimaker među uključenim proizvođačima u specifikacijama navodio brzinu ispitivanja, važan podatak kada nije propisana jedinstvena brzina testiranja. Eksperiment je koristio pet epruveta po proizvođaču, jedan printer, jednu boju, jednu orijentaciju i zadane parametre, zato zaključke treba čitati u tom okviru.

U radu se predlaže da se u budućim istraživanjima ispita uticaj brzine zateznog testa i njen odnos s čvrstoćom materijala, te da se slična istraživanja provedu i na drugim materijalima za aditivnu proizvodnju. Za praktično poređenje PLA filamenata korisno je, uz podatke iz tehničkog lista, provjeriti i uslove pod kojima su ti podaci izmjereni.

Zaključak

U radu Dr. Adija Pandžića pokazuje se da pet PLA filamenata printanih pod istim FDM uslovima nije dalo jednake rezultate. Razlike su dosegle 17% za zateznu čvrstoću, 33% za granicu razvlačenja i 7% za modul elastičnosti, dok je deformacija pokazala znatno veće odstupanje. Rezultati naglašavaju da izbor filamenta treba zasnivati na relevantnim mehaničkim svojstvima i provjerljivim uslovima ispitivanja, a ne samo na nazivu materijala ili cijeni.

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