PLA 3D printanje: Mijenja li boja čvrstoću filamenta?

Pri izboru filamenta za 3D printanje često se pretpostavlja da različite boje istog PLA materijala imaju jednake mehaničke osobine. U radu Dr. Adija Pandžića provjerena je ta pretpostavka ispitivanjem zateznih svojstava epruveta izrađenih FDM tehnologijom. Rezultati pokazuju da je boja bila povezana s razlikama u izmjerenim vrijednostima, iako eksperiment ne objašnjava uzrok tih razlika.

Ključni nalazi

• Ispitano je 14 boja PLA filamenta istog proizvođača, uz tri epruvete po boji, odnosno ukupno 42 epruvete.
• Modul elastičnosti kretao se od 2719 MPa do 3217 MPa; najviša vrijednost zabilježena je za crvenu, a najniža za ružičastu boju.
• Granica tečenja iznosila je od 30 MPa do 41 MPa, a zatezna čvrstoća od 35 MPa do 46 MPa. Crvena je imala najviše, a ružičasta najniže vrijednosti za oba pokazatelja.
• Žilavost se kretala od 10 J do 48 J: plava epruveta imala je najnižu, a ružičasta najvišu vrijednost.
• Deformacija se kretala od 7% do 108%; ružičasta je dostigla 108%, dok je za smeđu navedeno 35%.
• U radu se zaključuje da je boja bila povezana s razlikama u izmjerenim zateznim svojstvima, ali ispitivanje se odnosilo samo na ovaj materijal i navedene uslove printanja.

Zašto je važno ispitati boju PLA filamenta

FDM, odnosno modeliranje taloženjem rastopljenog materijala, jedan je od često korištenih postupaka aditivne proizvodnje. 3D printer zagrijava termoplastični filament i nanosi materijal sloj po sloj. PLA (polilaktična kiselina) popularan je filament koji se prodaje u brojnim bojama. Kada proizvođač za sve boje navodi ista svojstva, korisnik može očekivati da promjena boje utiče samo na izgled gotovog dijela.

Za dizajn proizvoda, obrazovne projekte i razvoj prototipa važno je znati koliko se na takvu pretpostavku može osloniti. Ako se printani dio opterećuje, njegove mehaničke osobine mogu biti važne uz estetski izbor boje. Ipak, ispitivanje konkretnog filamenta može pokazati samo ponašanje tog materijala u datim uslovima; rezultati jednog eksperimenta ne dokazuju da se svaka marka ili serija PLA-a ponaša jednako.

Šta je obuhvatio eksperiment

U radu je korišten PLA filament kompanije 3D Republika, prečnika 2,85 mm. U radu je navedeno 14 odabranih boja: zelena, plava, bijela, narandžasta, ružičasta (magenta), crvena, zlatna, siva, srebrna, svijetleća u mraku (GD), žuta, crna, smeđa i ljubičasta. Za svaku boju izrađene su tri epruvete. Ispitivanje je bilo usmjereno na zatezna svojstva prema standardu ISO 527-2.

Epruvete su printane na printeru Ultimaker 2+, a G-kod je pripremljen u programu Cura 4.0.0. Sve su izrađene s gustinom ispune od 100%, što znači da je unutrašnjost modela bila potpuno ispunjena prema odabranoj postavci printanja. Korištena je ravna orijentacija printanja i ugao rastera od 45°. Visina sloja bila je 0,15 mm, debljina zida 0,7 mm, brzina printanja 60 mm/s, temperatura printanja 200 °C, a temperatura podloge 60 °C. Korištena je mlaznica prečnika 0,4 mm.

Zatezno ispitivanje provedeno je na uređaju Shimadzu AGS-X kapaciteta 100 kN, brzinom ispitivanja od 1 mm/min. Zatezna čvrstoća opisuje naprezanje koje materijal podnosi pri istezanju, dok modul elastičnosti opisuje njegovu krutost u elastičnom području. U radu su zabilježeni modul elastičnosti, granica tečenja, krajnja zatezna čvrstoća, žilavost i deformacija. Žilavost je izračunata kao površina ispod dijagrama naprezanje–deformacija.

Šta su pokazali rezultati

Najveći modul elastičnosti, 3217 MPa, izmjeren je kod crvene PLA epruvete, a najmanji, 2719 MPa, kod ružičaste. U radu se navodi da se modul razlikovao do 18%, zavisno od boje. Za granicu tečenja raspon je bio od 30 MPa do 41 MPa, a za krajnju zateznu čvrstoću od 35 MPa do 46 MPa. U oba slučaja crvena je bila na vrhu raspona, dok je ružičasta bila na njegovom dnu. U radu se navode razlike do 36% za granicu tečenja i do 31% za krajnju zateznu čvrstoću.

Žilavost je pokazala drugačiji poredak: najniža vrijednost, 10 J, zabilježena je za plavu, a najviša, 48 J, za ružičastu. U radu se posebno ističe uticaj žute, ljubičaste, GD i ružičaste boje na žilavost. Kod deformacije su ružičasta i smeđa opisane kao boje s najizraženijim rezultatima; ružičasta je dostigla 108%, a smeđa je zabilježena na 35%. Ukupan raspon naveden u zaključku iznosi od 7% do 108%.

Ovi pokazatelji ne daju jedan odgovor o tome koja je boja „najbolja“. Crvena je imala najveće vrijednosti modula elastičnosti, granice tečenja i zatezne čvrstoće, dok je ružičasta imala najveću žilavost i deformaciju, ali najniži modul i vrijednosti čvrstoće u navedenim rasponima. Izbor zavisi od osobine koja je važna za konkretni dio.

Šta rezultati znače za praksu

Za inženjere i dizajnere rad pruža razlog da ne pretpostavljaju automatski da boja nema veze s izmjerenim zateznim svojstvima PLA-a. Ako su mehanička svojstva važna, korisno je ispitati tačno onu boju i filament koji će se koristiti, uz iste postavke i geometriju. Rezultati crvene i ružičaste epruvete pokazuju da se pojedinačni pokazatelji mogu mijenjati u različitim smjerovima, pa materijal ne bi trebalo birati na osnovu samo jedne vrijednosti.

Za studente je eksperiment primjer načina na koji se uslovi kontrolišu pri poređenju materijala: isti proizvođač, isti tip filamenta, isti printer i parametri, definisana orijentacija i standardizovan oblik epruvete. Ovakav pristup pomaže da se pitanje boje razmotri odvojeno od faktora poput visine sloja, temperature i gustine ispune. Ipak, rad ne ispituje SLA tehnologiju niti druge materijale, pa se zaključci ne mogu direktno prenijeti na njih.

Ograničenja i naredna istraživanja

Za svaku boju ispitane su tri epruvete, a rad ne navodi detaljne statističke pokazatelje rasipanja rezultata ni testove statističke značajnosti. Zbog toga vrijednosti treba posmatrati kao rezultate ovog eksperimenta, a ne kao univerzalne specifikacije boja PLA filamenta. Ispitani su filament jednog proizvođača i zatezna svojstva printanih epruveta pri jednoj kombinaciji parametara. Mogući uticaj sastava pigmenta nije analiziran, pa se iz podataka ne može zaključiti zašto su se boje razlikovale.

U radu se predlaže da se u budućim istraživanjima razmotre druga mehanička svojstva, kao što su savijanje, tvrdoća i pritisak, te uticaj boje kod drugih materijala, uključujući ABS i PET.

Zaključak

Studija objavljena u zborniku Proceedings of the 30th DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation 2019. godine pokazala je da su se zatezna svojstva ispitivanog PLA filamenta razlikovala među 14 boja. Najveći izmjereni rasponi obuhvatili su zateznu čvrstoću od 35 MPa do 46 MPa, modul elastičnosti od 2719 MPa do 3217 MPa, žilavost od 10 J do 48 J i deformaciju od 7% do 108%. Za praktičan izbor filamenta to znači da boju vrijedi uključiti u provjeru kada je mehaničko ponašanje važno, uz svijest da se nalazi odnose na materijal i uslove korištene u ovom radu.

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