Kod FDM 3D printanja isti materijal može pokazati vrlo različitu čvrstoću, zavisno od položaja epruvete tokom izrade. Za inženjere i dizajnere to je važno jer izbor orijentacije može uticati na ponašanje gotovog dijela pri zatezanju i savijanju. Istraživanje Dr. Adija Pandžića razmatra i dodatno pitanje: može li sušenje PA-CF filamenta prije printanja poboljšati rezultate?
Ključni nalazi
- Ravna orijentacija dala je najveću zateznu čvrstoću, 45,2 MPa, i najveću savojnu čvrstoću, 43,5 MPa, među uzorcima bez prethodnog sušenja.
- Vertikalno printane epruvete imale su najnižu zateznu čvrstoću, 9,0 MPa, i savojnu čvrstoću, 11,1 MPa.
- Sušenje filamenta na 80 °C tokom 12 sati bilo je povezano s većom čvrstoćom ravno printanih epruveta: zatezna čvrstoća porasla je na 50,5 MPa, a savojna na 54,5 MPa.
- Bočno printane epruvete imale su zateznu čvrstoću od 30,3 MPa, dok je savojna čvrstoća porasla sa 21,9 MPa bez sušenja na 32,6 MPa nakon sušenja.
- U radu se navodi iznenađujući nalaz iz ispitivanja savijanjem: epruvete se nisu slomile, uključujući i one printane vertikalno.
Zašto je ovo pitanje važno?
Aditivna proizvodnja omogućava izradu dijelova sloj po sloj, ali zbog takve građe njihova svojstva nisu nužno jednaka u svim smjerovima. Kod FDM-a filament se topi i polaže u linijama, a povezivanje tih linija i slojeva utiče na sposobnost dijela da podnese opterećenje. Zato orijentacija printanja nije samo pitanje uklapanja modela na podlogu: ona može promijeniti rezultate mehaničkog ispitivanja.
Rad se bavi poliamidom ojačanim kratkim, odnosno sjeckanim karbonskim vlaknima. Takav kompozit objedinjuje poliamidnu matricu i vlakna, a proizvođač navodi da je namijenjen izradi čvrstih i krutih komponenti. Poliamid je, međutim, osjetljiv na vlagu, pa je sušenje filamenta prije 3D printanja važan procesni faktor koji se u ovom radu ispituje uporedo s orijentacijom.
Šta je ispitivano?
Materijal je bio Luvocom 3F PAHT CF 9742 BK, kompozit na bazi PA6 sa 15% sjeckanih karbonskih vlakana. Epruvete su izrađene na FDM printeru Raise3D E2CF, a priprema modela i generisanje G-koda obavljeni su u programu ideaMaker 4.3.2. Ispitana su tri položaja: ravni, bočni i vertikalni. Ravne i bočne epruvete izrađene su i nakon sušenja filamenta na 80 °C tokom 12 sati.
Za printanje su korišteni visina sloja 0,15 mm, četiri perimetra, širina ekstruzije 0,4 mm, gustina ispune 100% i mrežasti uzorak ispune. Temperatura zagrijane podloge bila je 80 °C, temperatura mlaznice 290 °C, a zadana brzina printanja 60 mm/s. U radu je navedeno da su za svaku od tri orijentacije izrađene po tri replike. Ukupno je ispitano 30 epruveta.
Ispitivanje zatezanjem provedeno je prema standardu ISO 527, a ispitivanje savijanjem prema ISO 178. Ispitivanja su provedena brzinom od 5 mm/min na univerzalnoj ispitnoj mašini Shimadzu AGS-X s mjernom ćelijom od 10 kN. Zatezna čvrstoća opisuje maksimalno naprezanje prije loma pri zatezanju, dok savojna čvrstoća pokazuje ponašanje materijala pri opterećenju savijanjem. Uz čvrstoću je upoređen i modul elastičnosti, koji opisuje krutost u elastičnom području.
Rezultati: orijentacija i čvrstoća
Kod uzoraka bez sušenja zatezna čvrstoća opadala je od ravne prema vertikalnoj orijentaciji. Ravne epruvete postigle su 45,2 MPa, bočne 30,3 MPa, a vertikalne 9,0 MPa. Isti redoslijed zabilježen je za modul elastičnosti: 3,5 GPa za ravne, 2,8 GPa za bočne i 0,9 GPa za vertikalne epruvete.
Rezultati ispitivanja savijanjem pratili su sličan obrazac. Savojna čvrstoća iznosila je 43,5 MPa za ravne, 21,9 MPa za bočne i 11,1 MPa za vertikalne epruvete. Modul elastičnosti pri savijanju bio je 2,6 GPa, 1,1 GPa i 0,3 GPa, tim redom. Drugim riječima, uslovi koji su dali najbolje rezultate pri zatezanju dali su i najveće vrijednosti pri savijanju u ovom skupu ispitivanja.
Sušenje je bilo povezano s poboljšanjem rezultata ravnih epruveta. Njihova zatezna čvrstoća iznosila je 50,5 MPa, a modul elastičnosti 3,5 GPa; savojna čvrstoća bila je 54,5 MPa, a modul elastičnosti pri savijanju 2,8 GPa. Kod bočnih epruveta nakon sušenja zabilježeni su zatezna čvrstoća od 30,3 MPa i modul od 2,8 GPa, te savojna čvrstoća od 32,6 MPa i modul od 1,1 GPa.
U tekstu se navodi porast zatezne čvrstoće od 12% za ravnu i 47% za bočnu orijentaciju nakon sušenja, kao i porast savojne čvrstoće od 25% i 49%. Ipak, u radu postoji neslaganje u vezi sa zateznom čvrstoćom bočnih epruveta: tabela prikazuje 30,3 MPa i prije i poslije sušenja, dok prateći tekst navodi porast od 47%, a grafikon prikazuje drugačiju oznaku vrijednosti. Zato je za taj slučaj važno uz prijavljeni procenat navesti da se ne podudara s vrijednostima u tabeli. Za savijanje, navedene vrijednosti 21,9 MPa i 32,6 MPa odgovaraju približno prijavljenom porastu od 49%.
Šta znače rezultati u praksi?
Inženjer koji razvija dio od PA-CF materijala treba razmatrati izbor orijentacije zajedno sa smjerom očekivanog opterećenja. U ovom istraživanju ravna orijentacija dala je najveće zatezne i savojne vrijednosti, dok je vertikalna dala najmanje. Rezultati ne znače da je jedna orijentacija uvijek najbolja za svaki oblik ili opterećenje; oni pokazuju zašto treba ispitati konkretan materijal i način izrade, umjesto pretpostaviti da su svojstva jednaka u svim smjerovima.
Pri planiranju procesa sušenje filamenta je još jedan parametar koji vrijedi kontrolisati. U radu se koristio jedan režim sušenja, 80 °C tokom 12 sati, pa se zaključci odnose na taj postupak i ispitani materijal, a ne na sve poliamide ili kompozitne filamente. Rezultati mogu biti korisni u razvoju proizvoda, obrazovanju i istraživanju FDM materijala, ali sami po sebi ne potvrđuju performanse gotovog dijela u određenoj primjeni.
Ograničenja i naredni koraci
Ispitivanje je obuhvatilo jednu vrstu PA-CF filamenta, jedan FDM printer i odabrani skup parametara. Sušenje je upoređeno samo za ravnu i bočnu orijentaciju; u radu nema odgovarajućeg osušenog vertikalnog uzorka za poređenje. Također, neslaganje između tabele, grafikona i teksta u vezi sa zateznom čvrstoćom bočnih uzoraka nakon sušenja otežava tumačenje te konkretne vrijednosti.
U radu se preporučuje dalja optimizacija parametara sušenja i proučavanje uticaja drugih parametara printanja na mehanička i druga svojstva CF-PA6 materijala. Kao buduće pravce navode se ispitivanje tvrdoće, udarne žilavosti i pritisne čvrstoće. Takva istraživanja mogla bi proširiti sliku izvan zatezanja i savijanja.
Zaključak
Studija pokazuje da je orijentacija printanja snažno povezana s razlikama u zateznim i savojnim svojstvima FDM printanog PA-CF materijala. Ravne epruvete ostvarile su najveće vrijednosti, a vertikalne najmanje. Sušenje na 80 °C tokom 12 sati bilo je povezano s većom čvrstoćom ravnih epruveta i većom savojnom čvrstoćom bočnih epruveta. Rad je objavljen 2023. godine u zborniku Proceedings of the 34th DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation. Njegova praktična poruka jeste da orijentaciju i pripremu filamenta treba uključiti u planiranje procesa i kontrolu kvaliteta FDM dijelova.
| Autori rada | Adi Pandžić, Edin Kadrić, Svetozar Kolesar |
|---|---|
| Objavljeno u | Proceedings of the 34th DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation, 2023, pp. 146–153 |
| Datum objave | 17. oktobar 2023. |
| DOI | 10.2507/34th.daaam.proceedings.020 |
| Cijeli rad | researchgate.net |
Česta pitanja
Koja orijentacija printanja daje najveću čvrstoću za ispitani PA-CF?
Ravna orijentacija dala je najveću zateznu čvrstoću, 45,2 MPa, i savojnu čvrstoću, 43,5 MPa, među uzorcima bez sušenja.
Na kojoj temperaturi i koliko dugo je sušen PA-CF filament?
Filament je sušen na 80 °C tokom 12 sati prije printanja ravnih i bočnih epruveta.
Kolika je bila zatezna čvrstoća vertikalno printanih PA-CF uzoraka?
Zatezna čvrstoća vertikalnih epruveta iznosila je 9,0 MPa, a njihov modul elastičnosti 0,9 GPa.
Tekst je napisan na osnovu objavljenog naučnog rada; za detalje i citiranje koristite originalni rad. O autoru
