Analiza wytrzymałościowa wybranych materiałów stosowanych w druku 3D w technologii FDM

17

Dla wszystkich użytkowników niskobudżetowych drukarek 3D, działających w technologii FDM, którzy wykorzystują je do czegoś więcej niż drukowanie figurek, jednym z najważniejszych parametrów jest wytrzymałość wykonanych wydruków. Szczególnie duże znaczenie ma to dla firm, które wykonują modele funkcjonalne lub prototypy. Na podstawie opracowania „Analiza wpływu parametrów procesu druku 3D w technologii Fused Filament Fabrication na właściwości wytrzymałościowe gotowego wyrobu” przeanalizujemy bliżej jakich parametrów możemy oczekiwać od określonych materiałów.

Przywołane we wstępie opracowanie zostało nam, w ramach współpracy, udostępnione przez Karolinę Kurowską. Powstało na podstawie pracy inżynierskiej o tym samym tytule. Filamenty do analizy zostały dostarczone przez sklep get3D.

O autorze

Inż. Karolina Kurowska to Studentka Wojskowej Akademii Technicznej na kierunku Mechatronika. Swoją przygodę z technologią druku 3D rozpoczęła w ramach działalności w Kole Naukowym Projektowania, Wytwarzania i Rekonstrukcji WAT, gdzie prowadzi prace badawcze. Prywatnie utytułowana tancerka tańca towarzyskiego.

Opracowanie powstało przy współpracy z inż. Patrycją Wlizło, pod opieką mjr. dr. inż. Pawła Płatka.

Cele i założenia

Do testów posłużono się filamentami PLA, ABS, bronzeFill oraz copperFill. Na ich bazie powstały próbki, które posłużyły do określenia właściwości mechanicznych tych materiałów w zależności od zmiany parametrów druku, takich jak:

  • prędkość druku,
  • procent wypełnienia,
  • geometria wypełnienia.

Do weryfikacji wpływu tych parametrów na wytrzymałość próbki posłużyły następujące badania i obserwacje:

  • wizualna ocena jakości druku wraz z określeniem odchyłek wymiarowych pomiędzy projektem, a wydrukiem,
  • statyczna próba rozciągania (badanie dynamiczne) – doświadczenie wykonywane na maszynie MTS Criterion, które ma na celu określenie przy jakim maksymalnym naprężeniu nastąpi zerwanie próbki,
  • próba udarności (badanie dynamiczne) – wykonywana przy użyciu młota Charpy’ego, polega określeniu wymaganej energii do złamania próbki z karbem w kształcie litery V, podczas jednego uderzenia.

Wymiary wszystkich próbek zostały dobrane zgodnie z normą ISO 527-1.

Przyjęte parametry druku oraz geometrię wypełnienia przedstawiają poniższe tabele

parametry drukugeometria

Ocena jakości wydruków

Przyjętymi kryteriami oceny jakości wydruków były:

  • gładkość powierzchni,
  • kontrola grubości, szerokości i długości próbek do badań statycznych,
  • kontrola szerokości i grubości w miejscu karbu dla próbek przeznaczonych do badań dynamicznych.

PLA

Wszystkie próbki charakteryzowały się wysoką estetyką, dużą gładkością oraz brakiem widocznych niedociągnięć. Górna odchyłka pomiarów szerokości kształtowała się na zbliżonym poziomie 0,4-0,5 mm, z kolei górna odchyłka grubości zawierała się w przedziale 0,03-0,05 mm. Wyjątek stanowiła próbka drukowana z najwyższą prędkością i wypełnieniem linear, ponieważ tutaj odchyłka wynosiła 0,01-0,02 mm.

ABS

Próbki są równie estetyczne, ale mniej gładkie. Odchyłki ich szerokości kształtowały się na poziomie 0,3-0,6 mm, a odchyłki grubości na poziomie 0,01-0,02 mm dla prędkości 60 mm/s i wypełnieniu octagonal oraz 0,1 mm dla prędkości 90 mm/s i przy takim samym wypełnieniu.

bronzeFill i copperFill

Przy najwyższych prędkościach pojawiają się niedociągnięcia w wierzchniej warstwie wydruków. Górna odchyłka szerokości odcinka pomiarowego waha się w przedziale 0,11-0,30 mm, a górna odchyłka grubości na odcinku pomiarowym  zamyka się w przedziale 0,11-31 mm. Wszelkie znaczące odchyłki od tych wartości są trudne do jednoznacznego scharakteryzowania i ciężko określić w nich jakieś zależności.

Statyczna próba rozciągania

Badanie to polega na osiowym rozciąganiu próbek o określonych wymiarach i ma na celu określenie właściwości mechanicznych materiału.

PLA

Poniższe wykresy przedstawione są dla próbek wykonanych z wypełnieniem 10%, w temperaturze druku 210ºC, z prędkościami 60 (Fr=50%), 90 (Fr=75%) i 120 (Fr=100%) mm/s. oraz na warstwie 0,2 mm:

pla1pla2

ABS

Poniższy wykres przedstawia wyniki próbek wykonanych z ABS, przy prędkościach druku 60 mm/s (Fr=50%) oraz 90 mm/w (Fr=75%):

abs1

Porównanie wyników PLA i ABS przy prędkości druku na poziomie 90 mm/s wygląda następująco:

abs_pla

BronzeFill

Wyniki dla geometrii prostej:

bronze1

Wyniki dla geometrii hexagonalnej:

bronze2

Wyniki porównawcze próbek o wypełnieniu pełnym, straight i hexagonalnym przy prędkości druku 60 mm/s:

bronze3

Wyniki porównawcze próbek o wypełnieniu pełnym, straight i hexagonalnym przy prędkości druku 90 mm/s:

bronze4

CopperFill

Wyniki dla geometrii prostej:

copper1

Wyniki dla geometrii hexagonalnej:

copper2

Wyniki porównawcze próbek o wypełnieniu pełnym, straight i hexagonalnym przy prędkości druku 60 mm/s:

copper3

Wyniki porównawcze próbek o wypełnieniu pełnym, straight i hexagonalnym przy prędkości druku 90 mm/s:

copper4

Badanie Udarności

Obliczenia udarności wykonane zostały dla próbek o wypełnieniu oktagonalnym i prędkości druku 90 mm/s:

udarnosc

Wyniki zbiorcze

Zbiorczy wykres statycznej próby rozciągania dla prostej geometrii wypełnienia:

zbiorczy1

Zbiorczy wykres statycznej próby rozciągania dla geometrii oktagonalnej/hexagonalnej:

zbiorczy2

Zbiorczy wykres statycznej próby rozciągania dla pełnego wypełnienia:

zbiorczy3

Zbiorczy wynik próby udarności dla prostej geometrii wypełnienia:

zbiorczy4

Zbiorczy wynik próby udarności dla oktagonalnej/hexagonalnej geometrii wypełnienia:

zbiorczy5

Zbiorczy wynik próby udarności dla pełnego wypełnienia:

zbiorczy6

Wnioski

Na podstawie analizy wyników badań przeprowadzonych na potrzeby omawianego opracowania wysnuto następujące wnioski:

  • dokładność wykonanych próbek zależna jest od grubości pierwszej warstwy, ilości obrysów, kalibracji drukarki 3D, prędkości drukowania, specyfikacji urządzenia,
  • najlepszą jakość oraz dokładność uzyskano przy prędkości druku 60 mm/s,
  • optymalne parametry druku uzyskano przy prędkości 90 mm/s i oktagonalnej geometrii wypełnienia,
  • pełne wypełnienie pozwala uzyskać dwukrotnie wyższą wytrzymałość,
  • właściwości wytrzymałościowe maleją wraz ze wzrostem prędkości druku,
  • największą wytrzymałość na rozciąganie przejawia PLA,
  • największą odpornością na pękanie przy obciążeniu dynamicznym charakteryzuje się ABS,
  • bronzeFill oraz copperFill cechują się niższymi właściwościami wytrzymałościowymi.

Podsumowanie

Z powyższa analiza pokazuje, że nie ma idealnego materiału, który byłby uniwersalny i nadawał się do wszystkich zastosowań. Zdecydowanymi liderami są ABS oraz PLA. Słabsze właściwości wytrzymałościowe badanych materiałów kompozytowych spowodowane są najprawdopodobniej poprzez zawarte w nich domieszki. Warto jednak mieć na uwadze, że doświadczenie przeprowadzane było w warunkach laboratoryjnych, więc gdyby dodać do nich chociażby podwyższoną temperaturę, to rezultaty mogłyby się diametralnie różnić.

Źródło: Całe opracowanie można przeczytać tutaj.

Udostępnij.

O autorze

Łukasz Długosz

Łukasz Długosz – Pasjonat druku 3D, nowych technologii oraz gier komputerowych. Właściciel sklepu z filamentami i drukarkami 3D – filaments4U.com.

  • W przypadku PLA i ABS zabrakło informacji, którego producenta bądź z jakiego granulatu są to filamenty. ABS-y są naprawdę przeróżne.
    Zabrakło także informacji o szerokościach ścieżek, temperaturach stołu roboczego i otoczenia, o użytej drukarce (chociaż ogólnikowych).
    Razi także dobór szybkości druku, wszystkie sprawdzone wartości są raczej „po szybkiej stronie mocy”.
    Dobór stopnia wypełnienia też nie jest zbyt szczęśliwy, z jednej skrajności w drugą. Znacznie ciekawiej by było, gdyby spróbowano odpowiedzieć na pytania: „czy warto dawać więcej niż 50% wypełnienia?” „czy wypełnienie 100% daje jakiekolwiek realne korzyści względem 90%?”

    • Gdy dziś rano rozmawialiśmy z Łukaszem Długoszem nt. tego artykułu, Łukasz przewidział przyszłość mówiąc, że zaraz po jego publikacji pojawią się komentarze ekspertów druku 3D, udowadniających że badania są nic nie warte i można było je zrobić lepiej.

      Łukasz, tak jak ja to widzę, powinieneś zmienić zdjęcie profilowe: https://goo.gl/gh4Lqd

  • Przemek Jacek Stachura

    Gratuluję pomysłowej i praktycznej (co nie zdarza się często) pracy inzynierskiej!
    Wyniki pewnie nie są zaskakujące, ale zawsze warto przyjrzeć się ilościowej analizie. Może w komentarzu podałabyś parametry druku i drukarkę na której zostały wykonane testy?
    Obecnie na rynku pojawia się coraz więcej wysokojakościowych filamentów o podwyższonych parametrach wytrzymałościowych, więc może warto pociągnąć temat na magisterkę i porównać standardowe materiały (ABS, PLA) do takich jak Colorfabb HT, nGen, XT. Albo i do PEEKu czy PEI, których mimo że nie wydrukujemy na standardowych drukarkach, to na pewno dostałabyś od producenta darmowe wydrukowane próbki wytrzymałościowe i wtedy przedstawiłabyś naprawdę szerokie spektrum możliwośći FDMu 🙂

  • Bartlomiej Dudziak

    Dawno temu napisałem dwie publikacje wraz z zespołem o podobnej tematyce.
    „Badania wytrzymałości na ściskanie próbek z tworzywa ABS drukowanych w technologi FDM”
    oraz
    „Technologiczne uwarunkowania procesu klejenia elementów z termopolimeru ABS w aspekcie wykonania modeli metodą FDM”
    podaje linki do publikacji:

    http://www.pimr.poznan.pl/trol5_2015/MG5_2015.pdf
    http://www.pimr.poznan.pl/biul/2012_1_GCD.pdf

  • Karolina Kurowska

    Dziękuję 😉
    Opublikowany artykuł to oczywiście tylko część pracy.
    Próbki były drukowane na Prime 3D, temperatura stołu dla ABS to 60 stopni.
    Projekt jest w ciągłym rozwoju, więc może niebawem uda się odpowiedzieć na więcej pytań 😉

  • We wstępie czytam „do czegoś więcej niż drukowanie figurek” a później widzę wytrzymałość bronze i copperfilla, które wykorzystuje się głównie do drukowania figurek…

    Dodatkowo w pracy Pani Karoliny znalazłem to:
    „W przeprowadzonej ankiecie, wśród użytkowników drukarek oraz laików zaobserwowano, iż zdecydowanej większości respondentów (79.8%) po wytworzeniu za pomocą druku 3D obiektu najbardziej zależy na tym, aby charakteryzował on się wysokimi parametrami wytrzymałościowymi.”

    Dlatego naprawdę dziwi mnie wybór tych materiałów do badań.

    PLA i ABS to oczywistość, ale jestem pewny, że wszyscy woleliby dowiedzieć się o wytrzymałości PET, Nylonu, Carbon Nylonu czy kopoliestrów ColorFabba zamiast tych „metalowych”, które z resztą są stworzone na bazie PLA.

    Również wolałbym odpowiedź na pytanie, czy „wypełnienie 100% daje jakiekolwiek realne korzyści względem 90%” – jak wspomniał FlameRunner, zamiast tych badanych 10%, z których się raczej nie korzysta.

    Uważam jednak, że badania przeprowadzone zostały właściwie. Doceniam ciężką pracę i cieszę się, że ktoś się tym zajął, gdyż jest to bardzo potrzebna wiedza dla drukarzy 3D. Chcę więcej 🙂
    Gratulacje dla Pani Karoliny!

  • Rysiek czapla

    dlaczego tak sie jaracie tymi filamentami? czy naprawde nie ma innych technologii? Co wchodzę na ten prtal to widze tylko dyskusje ,,Profesjonalistów” na temat ,, Druku 3D” w filamencie. ludzie jest tyle technologi. SLS,SLA,PolyJet,DMLS,SLM, CJP. Jedzie na targi albo włączcie sobie Tuba i zobac

  • Tak jeszcze sobie pomyślałem – faktycznie Karolina Kurowska przyjęła do swoich badań takie a nie inne parametry, które niekoniecznie muszą satysfakcjonować wszystkie osoby, które mają okazję się za darmo z nim zapoznać. Może warto się z nią skontaktować i zlecić jej przeprowadzenie dalszych, ściśle spersonalizowanych badań – tym razem już komercyjnie?

    Powyższe opracowanie wskazuje na to, że ma do tego stosowne kompetencje.