CHEMICKÁ A OLEJOVÁ ODOLNOST PROTOTYPOVÝCH DÍLCŮ Z 3D TISKÁREN

Liberec

CHEMICKÁ A OLEJOVÁ ODOLNOST

PROTOTYPOVÝCH DÍLCŮ Z 3D TISKÁREN

Bakalářská práce

Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství Autor práce: David Martiš

Vedoucí práce: Ing. Jiří Šafka, Ph.D.

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto pří- padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna- ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

Poděkování

Rád bych na tomto místě poděkoval Ing. Jiřímu Šafkovi, Ph.D. za pomoc při vedení bakalářské práce. Mé poděkování patří též Ing. Michalu Ackermannovi, Ph.D. za poskytnuté rady a pomoc s obsluhou trhacího zařízení.

Rovněž děkuji mé rodině a manželce za podporu a trpělivost po celou dobu mého vysokoškolského studia.

TÉMA: CHEMICKÁ A OLEJOVÁ ODOLNOST PROTOTYPOVÝCH DÍLCŮ Z 3D TISKÁREN

ABSTRAKT: Tato bakalářská práce se věnuje testování materiálů vyrobených pomocí 3D tisku, vystavených zátěži chemických látek. Materiály použité pro účely této práce byly jednak fotopolymery vyrobené technologií PolyJet Matrix, dále pak termoplasty zpracované technologií FDM. Testování probíhalo dle příslušných mezinárodních norem ČSN EN ISO 175 a ČSN EN ISO 527. Výsledkem této práce je porovnání mechanických a fyzikálních vlastností testovaných materiálů před a po provedené zátěži.

KLÍČOVÁ SLOVA: (3D tisk, chemická odolnost, vlastnosti 3D materiálů, FDM, PolyJet Matrix)

THEME: CHEMICAL AND OIL RESISTANCE OF PROTOTYPE

COMPONENTS MADE BY 3D PRINTERS

ABSTRACT: This bachelor thesis disserts on testing materials made by 3D printers, exposed to chemical substances. Materials used for purpose of this thesis were photopolymers made by PolyJet Matrix technology, also thermoplastic processed by FDM technology. These tests were elaborated in accordance with particular international standards ISO 175 and ISO 527. The result of this thesis is comparison of mechanical and physical properties of materials tested before and after performed chemical burden.

KEYWORDS: (3D print, chemical resistance, properties of 3D materials, FDM, PolyJet Matrix)

Zpracovatel: TU v Liberci, Fakulta strojní, Katedra výrobních systémů a automatizace

Počet stran : 57 Počet příloh : 2 Počet obrázků : 20 Počet tabulek : 17 Počet modelů

nebo jiných příloh: 0

7

Obsah

Seznam obrázků ... 8

Seznam grafů ... 8

Seznam tabulek ... 9

Seznam použitých zkratek a symbolů ... 9

Úvod ... 11

1 Testované materiály ... 12

1.1 Fotopolymery, výrobní technologie PolyJet Matrix ... 13

1.2 Termoplasty, výrobní technologie FDM ... 17

2 Zkušební Metody ... 21

2.1 Stanovení účinků kapalných chemikálií při ponoření ... 21

2.1.1 Popis metody... 21

2.1.2 Určení zkušebních podmínek a postupu ... 22

2.1.3 Stanovení změn hmotnosti, objemu a jiných fyz. vlastností... 24

2.2 Stanovení tahových vlastností plastů ... 27

2.2.1 Popis metody... 28

2.2.2 Určení zkušebních podmínek a postupu ... 29

2.2.3 Vyjádření výsledků ... 32

3 Praktická část ... 33

3.1 Příprava a výroba vzorků ... 33

3.2 Vlastní testování ... 36

3.2.1 Vstupní testování vzorků ... 36

3.2.2 Chemická zátěž zkušebních těles ... 38

3.2.3 Tahová zkouška zkušebních těles ... 41

4 Vyhodnocení ... 52

Závěr ... 53

Použitá literatura ... 54

Přílohy ... 56

8

Seznam obrázků

Obr. 1.1: Polymerace fotopolymeru UV zářením [4] ... 13

Obr. 1.2: Výrobní proces technologie PolyJet Matrix [6] ... 13

Obr. 1.3: 3D tiskárna Objet Connex 500 [8] ... 14

Obr. 1.4: Cyklistická přilba vyrobená z rozdílných fotopolymerních materiálů [7] ... 15

Obr. 1.5: Výrobní proces technologie FDM [10] ... 17

Obr. 1.6: Výrobní zařízení Stratasys Dimension SST 768 [11] ... 18

Obr. 1.7: Výrobní zařízení 3Dfactories Easy3DMaker [12] ... 19

Obr. 1.8: Výrobní surovina pro technologii FDM dodávaná v cívkách [14] ... 20

Obr. 2.1: Typické deformační křivky polymerů v tahu [18] ... 28

Obr. 2.2: Zkušební těleso typu 1A a 1B [17] ... 30

Obr. 3.1: 3D model zkušebního tělesa a testovacího vzorku ... 34

Obr. 3.2: Výroba zkušebních vzorků ABS na zařízení Dimension SST 768 ... 34

Obr. 3.3: Zkušební tělesa vyrobená technologií PolyJet Matrix ... 35

Obr. 3.4: Vzorky na počátku testování v uzavřených Petriho miskách ... 36

Obr. 3.5: Vzorky testované v acetonu, před a po zátěži ... 37

Obr. 3.6: Zkušební tělesa ponořená v ethanolu ... 38

Obr. 3.7: Zkušební tělesa po 24 hodinové testovací zátěži v ehtanolu ... 40

Obr. 3.8: Zkušební tělesa po 24 hodinové testovací zátěži v acetonu ... 40

Obr. 3.9: Průběh zkoušky na trhacím zařízení Instron 5967... 41

Obr. 3.10: Pracovní prostředí softwaru Bluehill 3, kontrola pozice tělesa v čelistech ... 42

Seznam grafů

Graf 2.: Závislost poměrné deformace na napětí v tahu pro materiál ABS-like... 44

Graf 3.: Závislost poměrné deformace na napětí v tahu pro materiál DM 8530 ... 45

Graf 4.: Závislost poměrné deformace na napětí v tahu pro materiál DM 9895 ... 46

Graf 5.: Závislost poměrné deformace na napětí v tahu pro materiál DurusWhite ... 47

Graf 6.: Závislost poměrné deformace na napětí v tahu pro materiál PLA ... 48

Graf 7.: Závislost poměrné deformace na napětí v tahu pro materiál TangoBlack ... 49

Graf 8.: Závislost poměrné deformace na napětí v tahu pro materiál VeroBlack ... 50

Graf 9.: Závislost poměrné deformace na napětí v tahu pro materiál VeroWhite ... 51

9

Seznam tabulek

Tabulka 1.: Výsledky vstupního testu chemické odolnosti testovaných vzorků ... 12

Tabulka 2.: Parametry materiálů udávané výrobcem [7] ... 16

Tabulka 3.: Parametry materiálů udávané výrobcem [7], [15] ... 20

Tabulka 4.: Hodnoty doporučené zkušební rychlosti[17] ... 29

Tabulka 5.: Rozměry zkušebních těles typu 1A a 1B, v milimetrech [17] ... 30

Tabulka 6.: Seznam testovaných zkušebních materiálů a chemických látek... 33

Tabulka 7.: Hmotnost vzorků s přesností na 0,1 mg ... 37

Tabulka 8.: Průměrná hmotnost zkušebních těles s přesností na 1 mg ... 39

Tabulka 9.: Maximální napětí v tahu a deformace pro materiál ABS ... 43

Tabulka 10.: Maximální napětí v tahu a deformace pro materiál ABS-like ... 44

Tabulka 11.: Maximální napětí v tahu a deformace pro materiál DM 8530 ... 45

Tabulka 12.: Maximální napětí v tahu a deformace pro materiál DM 9895 ... 46

Tabulka 13.: Maximální napětí v tahu a deformace pro materiál DurusWhite ... 47

Tabulka 14.: Maximální napětí v tahu a deformace pro materiál PLA ... 48

Tabulka 15.: Maximální napětí v tahu a deformace pro materiál TangoBlack ... 49

Tabulka 16.: Maximální napětí v tahu a deformace pro materiál VeroBlack ... 50

Tabulka 17.: Maximální napětí v tahu a deformace pro materiál VeroWhite ... 51

Seznam použitých zkratek a symbolů

3D trojrozměrný

ABS akrylonitrilbutadienstyren

CAD Computer-aided drafting (počítačem podporované projektování) ČSN česká technická norma

DM Digital Material (digitální materiál) EB elektronový paprsek

EN evropská norma

FDM Fused Deposition Modeling (výroba vrstvením termoplastického materiálu) H₂O voda

HDT teplota průhybu při zatížení [°C]

10 HCl kyselina chlorovodíková

ISO mezinárodní norma NaOH hydroxid sodný PA polyamid

PC personal computer (osobní počítač) PLA kyselina polymléčná

PMMA polymethylmethakrylát PP polypropylen

SST Soluble Support Technology (typ technologie ‚‚rozpustná s podporami‘‘) STL STereoLithography (typ CAD souboru pro stereolitografii)

Tg teplota zeskelnění [°C]

UV ultrafialové záření

11

Úvod

Rapid Prototyping, česky převážně označován ‚‚3D tisk‘‘, zažívá v poslední době značný rozmach a nejinak je tomu i ve strojírenství. 3D tisk se dostává stále více do povědomí odborné veřejnosti a to především v oblasti technického vývoje a prototypové výroby. Dlouhodobý dopad této technologie na současný průmysl se dá jen stěží předvídat, nicméně není výjimkou, že svým významem bývá přirovnávána k příchodu parního stroje v 18. Století.[1] Nová průmyslová revoluce nazvaná Průmysl 4.0, jejíž koncept byl formulován v roce 2013 v Německu, proto sází na 3D tisk jako na jednu z hlavních technologií budoucnosti.[2] Především tyto poznatky byly pro mne klíčové při volbě zadání bakalářské práce.

Laboratoř prototypových technologií Katedry výrobních systému a automatizace vytváří dílce pro výzkumné účely v rámci řady experimentů. K určení vhodného materiálu pro výsledné prototypy je nezbytné znát mechanické vlastnosti dodávaných materiálů při reálném zatížení. Stejně tak je důležitá i jejich chemická odolnost. Převážná část výrobců materiálů pro 3D tisk však tyto údaje neuvádí, chybí tedy hodnoty odolnosti vůči konkrétním chemickým sloučeninám. Účelem bakalářské práce bylo otestovat nejčastěji používané materiály z 3D tisku pod zátěží vybraných chemických látek.

Úvodní část této bakalářské práce je věnována rešerši testovaných materiálů a popisu jejich výrobních technologií PolyJet Matrix (vícemateriálové tryskání fotopolymerů) a Fused Deposition Modeling (výroba vrstvením termoplastického materiálu). Je zde uveden popis užitých testovacích metod, jedná se o mezinárodní normy ČSN EN ISO 175 a ČSN EN ISO 527. Praktická část této práce se zabývá samotným testováním zkušebních těles. Nejprve chemickou zátěží a dále určením změn jejich mechanických vlastností v tahu. Získané poznatky byly zaznamenány do přehledné podoby grafů. V závěru bakalářské práce došlo ke shrnutí a vyhodnocení dosažených výsledků.

Hlavním cílem této bakalářské práce je stanovit objektivní porovnání mechanických vlastností testovaných materiálů před a po dané chemické zátěži.

Následně zhodnotit vhodnosti či nevhodnosti použití těchto materiálu v součinnosti s konkrétními chemickými látkami.

12

1 Testované materiály

Materiály zvolené pro účely této bakalářské práce, byly vybrány na základě četnosti jejich využívání pro výzkumné činnosti ostatních laboratoří Technické univerzity v Liberci. Zvolené materiály se dají rozdělit do dvou základních skupin.

První skupinu materiálů tvoří fotopolymery vyrobené technologií PolyJet Matrix.

Druhou skupinou jsou termoplasty, zpracované technologií FDM. V úvodní části byly ze zvolených materiálů vyrobeny testovací vzorky o rozměrech 10mm x 10mm x 2mm, které byly postupně otestovány ve vybraných chemických látkách. Díky tomuto vstupnímu testu bylo možné určit postup pro konkrétní vzorky, a tak stanovit vhodnost materiálu pro další testování. Výsledky vstupního testování jsou shrnuty v tabulce 1. Na základě tohoto vstupního rozřazení byla následně vyrobena zkušební tělesa pro zkoušku tahem. Především z ekonomických důvodů a rozsahu této bakalářské práce byly pro jednotlivé testy, respektive chemické látky, vyrobeny tři kusy od každého materiálu. Pro lepší objektivitu by bylo vhodnější vyrobit větší počet testovacích vzorků.

Tabulka 1.: Výsledky vstupního testu chemické odolnosti testovaných vzorků

Legenda: _____ Vzorky obstály ve vstupním testu bez viditelných změn – A _____ Vzorky obstály ve vstupním testu se znatelným narušením

(A1 nabobtnané, A2 narušená struktura, A3 smrštěné) _____ Vzorky neprošly vstupním testem (rozpuštěné) – N

TESTOVANÉ MATERIÁLY

FOTOPOLYMERY TERMOPLASTY

ABS- like Durus White DM 8530 DM 9895 Tango Black Vero Black Vero White ABS PLA

CHEMICKÉ LÁTKY

Aceton A2 N A2

Ethanol A A1 A

H2O A

HCl A

Chloroform N A N

Motor. olej A

NaOH A

Tech. benzín A A2 A

U 6002 A1 N A1

Autokláv A A3

13

1.1 Fotopolymery, výrobní technologie PolyJet Matrix

Historie fotopolymerů začíná koncem šedesátých let minulého století, kdy byly tyto materiály vyvíjeny jako náhrada syntetických nátěrů z důvodu redukce znečištění ovzduší. Fotopolymer je tekutá látka, která může být vytvrzena různými druhy elektromagnetického záření. Tato reakce se nazývá fotopolymerizace. Fotopolymery na bázi epoxidové pryskyřice jsou v dnešní době nejpoužívanějšími materiály pro stereolitografii, vytvrzují se UV zářením nebo také elektronovým paprskem EB (Obr. 1.1). [3]

Pro účely mé bakalářské práci bylo použito zařízení Objet Connex 500 (Obr. 1.3) od firmy Stratasys, které funguje na principu technologie PolyJet Matrix.

Technologie PolyJet Matrix využívá pro proces stavby modelu nanášení materiálu na bázi fotopolymeru ve velice tenkých vrstvách (mezi 16 a 30 µm). Každá vrstva naneseného materiálu je vytvrzena UV zářením, takto vznikne kompaktní model připravený k dalšímu použití bez nutností dodatečného vytvrzování. [5]

Obr. 1.1: Polymerace fotopolymeru UV zářením [4]

Obr. 1.2: Výrobní proces technologie PolyJet Matrix [6]

14 Hlavní předností této technologie jsou tzv. digitální materiály, tedy kompozity vytvořené sloučením dvou primárních materiálů. Digitální materiály vznikají souběžným tryskáním dvou různých základních materiálů v jednotném automatizovaném procesu, jehož výsledkem je vícemateriálová součást požadovaných mechanických a fyzikálních vlastností (Obr. 1.2). Jediná součást tak muže v jednom výrobním procesu obsáhnout až 14 rozdílných materiálových vlastností (např. pevnost v tahu, tvrdost, barevnost). Jako stavební podporu pro výrobky se složitou geometrií používá toto zařízení podpůrný materiál podobný gelu, který je z modelu odstraněn vodním tryskáním. [7]

Obr. 1.3: 3D tiskárna Objet Connex 500 [8]

Zkušební tělesa pro zkoušku tahem, byla zpracovaná technologií PolyJet Matrix. K výrobě bylo využito celkem sedm různých fotopolymerů. S mechanickými vlastnostmi dosahujícími tvrdosti pryže – TangoBlack, DM 9895; přes materiály podobné polypropylenu PP like – DurusWhite, DM 8530; transparentní PMMA like, které představuje – VeroClear; neprůhledné PA like, zastoupené – VeroBlack; až po inženýrské plasty – ABS-like. [7]

15 ABS-like

Označovaný také jako Digital ABS je velice věrná napodobenina standartního ABS, která výborně simuluje jeho tepelnou odolnost a houževnatost. Díky tomu lze snadno vyrobit realistické, přesné a vysoce mechanicky odolné dílce a to i tenkostěnné.

Využití tohoto materiálu je vhodné při požadavku vysoké rázové odolnosti. ABS-like je zelené barvy nebo také barvy slonové kosti. [7]

DM 8530

Jedná se o kompozit šedomodré barvy, skládající se z primárního materiálu VeroWhite a sekundárního materiálů TangoBlack. Tato sloučenina se dá nejlépe popsat jako měkký plast (bývá označován jako digitální PP), který kombinuje vlastnosti obou vstupních materiálů. Tzn. rozměrová stálost, kvalita povrchu a hodnověrnost výrobku. [7]

Obr. 1.4: Cyklistická přilba vyrobená z rozdílných fotopolymerních materiálů [7]

DM 9895

Tento polymer černé barvy je podobný tvrdé pryži. Skládá se z primárního materiálu TangoBlack a sekundárního materiálu VeroWhite. Směs těchto dvou materiálů pro popisovaný kompozit zaručuje tvrdost Shore A 95, ale také zvýšenou pevnost v tahu a pevnost v přetržení oproti standartnímu rubber-like materiálu. Využití je rozmanité rukojeti, hadice, těsnění nebo i obuv. [7]

16 DurusWhite

DurusWhite je průsvitný fotopolymerní materiál bílé barvy, který má mechanické vlastnosti velice podobné polypropylenu. Je pružný, pevný a houževnatý.

Použitelný pro pohyblivé, do sebe zapadající aplikace např. opakovatelně použitelné obaly, panty a jiné pružné elementy. [7]

TangoBlack

Jeden z hlavních zástupců fotopolymerů simulujících termoplastický elastomer s flexibilními, pryži podobnými vlastnostmi. Výjimečná je zejména tažnost a pevnost v roztržení u tohoto materiálu. TangoBlack nabízí celou řadu aplikací pro výrobky s požadavkem na dlouhou životnost a vysokou odolnost, od hraček a obuvi až po neklouzavé plochy a povrchy měkké na dotek. [7]

VeroBlack, VeroWhite

VeroWhite a VeroBlack patří do materiálové skupiny Vero. Tato skupina zahrnuje sedm nejpoužívanějších materiálů pro technologii PolyJet. VeroBlack (White) je tuhý a neprůsvitný fotopolymer černé respektive bíle barvy. Díky rozměrově přesnému výrobku, který poskytne detailní vizualizaci je možné tento víceúčelový materiál použít například pro výrobu prototypů a modelů. [7]

Tabulka 2.: Parametry materiálů udávané výrobcem [7]

Mechanické vlastnosti ABS - like

DM 8530

DM 9895

Durus White

Tango Black

Vero Bl.,Wh Pevnost v tahu [MPa] 55-60 29-38 8,5-10 20-30 0,8-1,5 50-65 Tažnost [%] 25-40 25-35 35-45 40-50 170-220 10-25 Modul pružnosti v tahu

[MPa]

2600 - 3000

1100 -

1700 - 1000 -

1200 - 2000 -

3000 Napětí v ohybu [MPa] 65-75 35-45 - 30-40 - 75-110 Modul pevnosti v ohybu

[MPa]

1700 - 2200

1200 -

1500 - 1200 -

1600 - 2200 -

3200 Pevnost v roztržení [kg/cm] - - 41-44 - 2-4 - HDT [°C] při 0.45MPa 58-68 38-41 - 37-42 - 45-50

HDT [°C] při 1.82MPa 51-55 - - 32-34 - 45-50

Tg [°C] 47-53 - - 35-37 - 52-54

Tvrdost Shore A [-] - - 92-95 - 26-28 -

Tvrdost Shore D [-] 85-87 76-82 - 74-78 - 83-86

17

1.2 Termoplasty, výrobní technologie Fused Deposition Modeling (FDM)

Fused Deposition Modeling vznikl koncem osmdesátých let v USA jako nízkonákladový a k životnímu prostředí bezpečný výrobní proces. Tato technologie byla vyvinuta především pro konstruktéry, kterým měla poskytovat rychlou prototypovou výrobu přímo v kanceláři.[3] Název této technologie se dá do češtiny volně přeložit jako výroba vrstvením taveniny. Nejinak je tomu ve skutečnosti, tato metoda funguje na principu podobnému tavné pistole. Materiál ve formě drátu je odvíjen z cívky do tiskové hlavy, kde se odtavuje a skrze extrudační trysku je v tenkých vrstvách nanášen na pracovní stůl, kde okamžitě vytvrzuje (Obr. 1.5). Tisková hlava, poháněná krokovými motory, vykonává horizontální posuv ve dvou osách. Vertikální jednoosý posuv provádí pracovní stůl, který se po nanesení materiálu vždy sníží o tloušťku jedné vrstvy. Při stavbě složitějších modelů používá tato technologie podpůrný materiál, který se po skončení tisku snadno odláme nebo rozpustí ve speciální lázni. [9]

Obr. 1.5: Výrobní proces technologie FDM [10]

18 Technologie FDM používá pro stavbu modelů různé druhy polymerů, obecně se jedná o vlákno vyrobené z přírodní či syntetické pryskyřice. Tyto materiály jsou totožné s tradičně zpracovávanými termoplasty. Pro účely bakalářské práce byly použity termoplasty ABS a PLA, každý materiál byl však vyroben na jiném zařízení. Prvně zmiňovaný materiál byl zpracován technologií FDM na zařízení firmy Stratasys, Dimension SST 768 (Obr. 1.6). Jedná se o profesionální 3D tiskárnu vhodnou pro výrobu přesných dílů a sestav z materiálu ABS a to v celém spektru barev. Rychlost tisku se odvíjí od zvolené tloušťky nanášeného materiálu, ta má rozmezí od 0,254 mm do 0,333 mm. Toto zařízení poskytuje vyhřívaný stavěcí prostor o rozměrech 203 x 203 x 305 mm. [9]

Obr. 1.6: Výrobní zařízení Stratasys Dimension SST 768 [11]

Zkušební vzorky PLA byly vyrobeny na zařízení Easy3DMaker od českého výrobce 3Dfactories (Obr. 1.7). Jedná se o zařízení určené především pro neprofesionální využití, i přesto poskytující poměrně kvalitní výrobu. Pevným ocelový rám zajišťuje pevnost a dostatečnou stabilitu. Tato 3D tiskárna umí zpracovávat i ostatní tavitelné materiály například ABS, jako podpůrný materiál zde slouží materiál stavěcí, ten se po dokončení výroby mechanicky odlomí. Zařízení využívá vyhřívanou podložku kvůli snížení vnitřního pnutí v materiálu. Tisková plocha poskytuje maximální rozměry 200 x 200 x 230 mm. Tloušťka výrobní vrstvy se odvíjí od použité trysky 0,08; 0,125 a 0,25 mm. [12]

19 Obr. 1.7: Výrobní zařízení 3Dfactories Easy3DMaker [12]

Vlastnosti plastových materiálů používaných technologií FDM mají několik společných znaků. Především je to jejich vysoká tepelná odolnost, pevnost a nízká hmotnost. Jedná se tedy o vynikající náhradu kovových dílů, která je taktéž cenově dostupná. Neméně důležitá je také kvalita použitého vlákna, právě od ní se totiž odvíjí tepelná a mechanická odolnost vytištěného dílce. Platí tedy že, čím kvalitnější vstupní materiál použijeme tím lepších výsledků u 3D tisku dosáhneme. [3]

ABS

Akrylonitril-Butadien-Styren je velice rozšířený materiál používaný především díky své houževnatosti a odolnosti proti nízkým i vysokým teplotám. Prototypy vyrobené 3D tiskem dosahují až 80% pevnosti plastů ABS vstřikovaných do forem.

Tento materiál je za běžných podmínek stálý a zdravotně nezávadný. Jedná se o jeden z nejpoužívanějších materiálů pro metodu extruze polymerů včetně technologie FDM.

ABS má při zpracování výrazný zápach pálícího se plastu. Dodává v širokém spektru barev. Také využití tohoto materiálu je skutečně rozsáhlé od hraček přes funkční modely až po díly pro automobilový průmysl. [13]

20 PLA

Kyselina polymléčná je vedle ABS nejvíce používaný materiál pro výrobní metodu FDM a to zejména pro méně náročné aplikace například ve školách nebo domácích dílnách. Jedná se o biodegradabilní tedy plně rozložitelný materiál, který se vyrábí z obnovitelných zdrojů jako například kukuřice a bramborový škrob. Ve srovnání s ABS má PLA menší tuhost a odolnost vůči vyšším teplotám. Díky této vlastnosti se však lépe a rychleji zpracovává při stejných výchozích podmínkách. Výhodou je vyšší finální lesk výrobků a absence zápachu při zpracování plastu. Tento materiálu se využívá například jako implantát ve zdravotnictví nebo jako obalový materiál díky své snadné rozložitelnosti. PLA se dodává v celé škále barevných odstínů. [13]

Tabulka 3.: Parametry materiálů udávané výrobcem [7], [15]

Mechanické vlastnosti ABS PLA

Pevnost v tahu [MPa] 31 - 44 55 - 60

Tažnost [%] 2 – 2,7 5 - 6

Modul pružnosti v tahu [MPa] 2140 - 2200 3300 - 3500

Napětí v ohybu [MPa] 58 - 70 55 - 62

Modul pevnosti v ohybu [MPa] 2050 - 2100 2300

HDT [°C] při 0.45MPa 96 55

HDT [°C] při 1.82MPa 82 -

Tg [°C] 105 - 108 60 - 65

Tvrdost Rockwell [-] 103 - 112 70 - 90

Obr. 1.8: Výrobní surovina pro technologii FDM dodávaná v cívkách [14]

21

2 Zkušební Metody

Pro dodržení řádného postupu a korektní stanovení výsledku u obou prováděných zkoušek v této bakalářské práci bylo nezbytné postupovat dle norem zabývajících se danou problematikou. Při zkoušce chemické odolnosti materiálů byla předlohou mezinárodní norma ČSN EN ISO 175; Plasty – Stanovení účinků kapalných chemikálií při ponoření. Tato metoda je podrobně popsána v kapitole 2.1. Pro následnou statickou zkoušku tahem byla předlohou mezinárodní norma ČSN EN ISO 527; Plasty – Stanovení tahových vlastností. Tato metoda je podrobně popsaná v kapitole 2.2 [16]

2.1 Stanovení účinků kapalných chemikálií při ponoření

Mezinárodní norma ČSN EN ISO 175 se zabývá stanovením vlastností zkušebních plastových těles před a po ponoření do zkušební kapaliny na předepsanou dobu při stanovené teplotě. Kvůli svému různorodému využití jsou plasty mnohdy vystavovány kontaktu s kapalinami, jako například chemikálie, motorové paliva, oleje atd. Díky působení těchto látek tedy především jejich absorpci, může u plastů dojít k chemické reakci a následným významným změnám jejich počátečních fyzikálních vlastností. Chování plastových materiálů v přítomnosti takovýchto chemikálií může být stanoveno pomocí zkoušek s jasně stanovenými pravidly. Tyto pravidla tedy například typ chemikálie, délka ponoření, teplota prostředí, způsob vyhodnocení výsledků, záleží hlavně na konečné aplikaci testovaného materiálu. Nicméně není možné stanovit žádné přímé srovnání výsledků testu a chování materiálu v provozu. [16]

2.1.1 Popis metody

Výše zmíněná norma specifikuje zkušební metodu pro plastové materiály bez ochranné vrstvy při kompletním ponoření při daném čase a teplotě do kapalných chemikálií a metody určení změn vlastností vyvolaných touto zátěží. Vlastnosti testovaných vzorků jsou určeny před ponořením a po vyjmutí z lázně a osušení.

Porovnání vlastností různých materiálů je možné pouze, pokud mají stejný tvar, stejné rozměry především tloušťku a pokud možno téměř stejnou konstrukci (vnitřní napětí, povrch atd.).

22 Metody stanovení změn:

a) změny hmotnosti, rozměrů a vzhledu bezprostředně po vyjmutí a osušení b) změny fyzikálních vlastností bezprostředně po vyjmutí a osušení

c) množství absorbované kapaliny

Měření probíhá bezprostředně po vyjmutí, jestliže je nezbytné zjistit stav materiálu, zatímco na něj chemikálie stále ještě působí. Měření probíhá bezprostředně po vyjmutí a osušení vzorků, jestliže je nezbytné zjistit stav materiálu poté, co se kapalina vypařila za předpokladu, že je těkavá. [16]

2.1.2 Určení zkušebních podmínek a postupu

Volba testovací kapaliny

Prvotní ustanovení se týká testovací kapaliny. Volba této látky by se měla odvíjet především dle daných požadavků, pokud nějaké jsou. V tomto případě volíme přednostně požadovanou chemickou látku a to pokud možno v definované kvalitě. [16]

Stanovení teploty testování

Velice významné je stanovení teploty testování, doporučené hodnoty jsou následující:

0 °C; 20 °C; 27 °C; 40 °C; 55 °C; 85 °C; 95 °C; 100 °C; 125 °C; 150 °C;

Preferovaná hodnota je však 23 °C ± 2 °C popřípadě 70 °C ± 2 °C. Jestliže bude zvolena jiná než preferovaná teplota za účelem volby teploty odpovídající koncovému užití dílce, je třeba zvolit jednu z doporučených teplot. Přesto však doporučená teplota pro stanovení změn objemových, rozměrových nebo fyzikálních je 23 °C ± 2 °C. [16]

Stanovení doby ponoru

Preferovaná délka ponoru je stanovena následovně:

a) 24 h – krátkodobý test;

b) 1 týden – standartní test;

c) 16 týdnů – dlouhodobý test.

23 V případě, že nelze volit preferovanou dobu ponoru, a to především pokud je žádoucí provést test v závislosti na čase, nebo pokud určujeme křivku rovnovážného stavu. Je doporučeno volit dobu ponoru z následujícího rozsahu:

d) 1 h – 2 h – 4 h – 8 h – 16 h – 24 h – 48 h – 96 h – 168 h;

e) 2 týdny – 4 týdny – 8 týdnů – 16 týdnů – 26 týdnů – 52 týdnů – 78 týdnů;

f) 1,5 roku – 2 roky – 3 roky – 4 roky – 5 let. [16]

Zkušební tělesa

Zkušební tělesa mohou mít velice rozdílné tvary a rozměry. Podstatné je brát v úvahu měření nebo zkoušky (objem, rozměry, fyzikální vlastnosti), které budou vykonány po vynoření. Stejně tak musíme vzít v potaz i druh a tvar konkrétních plastů, např. desky, folie, tyče. Vzorky mohou být získány přímo lisováním plastických hmot nebo jejich dalším obráběním. Pro lisované a vytlačované zkušební tělesa je preferovaný rozměr 60 mm x 60 mm s tloušťkou závisející na druhu materiálu. Dle následujícího dělení:

a) termoplasty – preferovaná tloušťka 1,0 mm - 1,1 mm b) lisovací směsi – identické rozměry dle ISO 294-3 c) kompozity – preferovaná tloušťka nejméně 2,0 mm

Množství zkušebních vzorků bude specifikováno v dané mezinárodní normě ISO zkoušky, která bude následovat. V případě nedostupnosti těchto údajů budou testovány přinejmenším tři vzorky.

Všechny zkušební vzorky musí být kondicionovány v preferovaném prostředí o teplotě (23 ± 2) °C a relativní vlhkosti (50 ± 10)% a to alespoň 16 hodin. [16]

Postup zkoušky

Úvodem je nutné stanovit množství testovací kapaliny. Toto má být alespoň 8 ml na cm² celkové plochy povrchu zkušebního vzorku a to z důvodu zaručení dostatečné koncentrace zkušební kapaliny v průběhu testu. Kapalina musí kompletně zaplavit celý vzorek.

Zkouška započne usazením vzorků do požadované testovací polohy. Každé těleso se umístí do vhodné nádoby např. kádinky a kompletně se ponoří (použití závaží je možné) do testovací kapaliny. Jestliže se jedná o několik zkušebních vzorků stejné

24 kompozice, je přípustné dát tyto vzorky do jedné nádoby. Neméně důležitý je také dotek vzorku se stěnami nádoby, mezi sebou samými, popřípadě se závažími a je žádoucí, aby takový dotyk byl co nejmenší možný. Kapalina se promíchá alespoň jednou za 24 hodin a v případě dlouhodobého testu se vymění celý její obsah každý sedmý den.

V neposlední řadě je třeba vzít v úvahu vliv světla, pokud by mohl ovlivnit průběh testu je doporučeno provést test ve tmě nebo za definovaných světelných podmínek.

Po uplynutí doby ponoru se těleso vyjme z lázně a zvolí se jedna z možných metod pro jeho oplach:

a) Pro vzorky ponořené v kyselinách, zásadách nebo jiných vodních roztocích - oplach důkladně čistou vodou

b) Pro vzorky vyjmuté z netěkavých, ve vodě nerozpustných organických kapalin - oplach neagresivním, ale těkavým rozpouštědlem jako například technický benzín.

Vzorky se poté otřou dosucha filtračním papírem nebo čistící utěrkou. V případě, že zkušební tělesa byla ponořena v alkoholu nebo acetonu při pokojové teplotě není oplach a otírání nutné. [16]

Vyjádření výsledků

Výsledná data lze vyhodnotit dvěma způsoby. Zaprvé numericky pomocí vzorce , tedy procentuálním vyjádřením dat získaných před (X2) a po zkoušce (X1). Zadruhé graficky, kdy zaznamenáváme data jako funkci času, kterou vykreslíme do grafu. [16]

2.1.3 Stanovení změn hmotnosti, objemu a jiných fyzikálních vlastností

Potřebné vybavení

a) Doporučené vybavení pro všechny typy testů:

 kádinky

 uzavřený prostor, digestoř

 teploměr

 sušárna na plasty s větráním

25 b) Doporučené vybavení pro stanovení změny váhy:

 váha s přesností 1 mg pro vzorky o hmotnosti vyšší nebo rovno 1 g, pro vzorky s hmotnosti pod 1g je požadovaná přesnost 0,1 mg.

 váženka

c) Doporučené vybavení pro stanovení změn objemu:

 mikrometr s přesností 0,01 mm

 posuvné měřítko s přesností 0,1 mm

 odměrný válec

Testované vzorky

Rozměry zkušebních těles jsou dány dle druhu jejich výrobní metody. Pro materiály lisované, vytlačované, tabule a desky je doporučený čtvercový tvar o délce hrany (60 ± 1) mm a tloušťky 1,0 - 1,1 mm. Trubky a tyče mající průměr 60 mm a méně mají doporučenou délku vzorku 60 mm. Trubky a tyče s průměrem větším než 60 mm nejsou vhodné. [16]

Stanovení změn hmotnosti

Pro stanovení změn hmotnosti zkušebního vzorku před a po zkoušce je nejprve nutné zaznamenat jeho počáteční hodnotu. Počáteční hmotnost každého vzorku (m1) se určí s přesností na 1 mg v případě, že vzorek váží více než 1g v opačném případě s přesností na 0,1 mg. Poté se vzorek ponoří dle dříve zmiňovaného postupu.

Hmotnost určíme:

a) okamžitě po vynoření – těleso se po vyjmutí z kapaliny opláchne a otře dle dříve zmiňovaného postupu, umístí se na váhu, zváží a zaznamená se jeho hmotnost (m₂)

b) po vynoření a osušení tělesa – po vykonání předešlého měření se těleso odebere z váhy, vloží se do sušičky, kde zůstane po stanovený čas a teplotu, umístí se na váhu, zváží a zaznamená se jeho hmotnost (m₃) c) pouze po osušení tělesa – alternativně se těleso okamžitě po vyjmutí

z kapaliny opláchne a otře dle dříve zmíněného postupu, umístí se do sušičky a následně změří jako v předchozím kroku

26 Vyjádření výsledku získáme jako rozdíl hodnot m2 – m1 a/nebo m₃ – m1. Ale také v závislosti na objemu jako respektive [mg/cm²], kde A je celkový objem zkušebního tělesa v cm². Nebo procentuální změna hmotnosti každého vzorku pomocí vzorce respektive . [16]

Stanovení změn objemu

Před zahájením samotného stanovení změn, je nejprve nutné určit počáteční hodnoty. Posuvným měřítkem se změří délka (l1) libovolně zvolených čtyř stěn tělesa.

S přesností na 0,1 mm. Dále se na čtyřech zvolených bodech, a to alespoň 10 mm od okraje, změří mikrometrem tloušťka (h1) tělesa. S přesností na 0,01 mm. Případně lze určit objem tělesa (V₁), toto měření se provádí při teplotě 23° pomocí odměrného válce.

Následně se vzorek ponoří dle dříve zmiňovaného postupu.

Rozměry se určí:

a) okamžitě po vynoření – těleso se po vyjmutí z kapaliny opláchne a otře dle dříve zmiňovaného postupu a provedou se stejná délková měření jako na počátku tohoto měření, stanoví se rozměry (l₂, h₂, V₂). Měření se vykoná neprodleně po vyjmutí vzorku z kapaliny!

b) po vynoření a osušení tělesa – po vykonání předešlého měření se vloží těleso do sušičky, kde zůstane po stanovený čas a teplotu a poté se provedou stejná délková měření jako na počátku tohoto měření, stanoví se rozměry (l3, h₃, V₃).

c) pouze po osušení tělesa – alternativně se těleso okamžitě po vyjmutí z kapaliny opláchne a otře dle dříve zmíněného postupu, umístí se do sušičky a následně změří jako v předchozím kroku

d) stanovení objemu absorbované kapaliny – rozdíl mezi počátečním a zbývajícím objemem kapaliny po vyjmutí vzorku

Navíc je možné vyjádřit počáteční a zbývající rozměry nebo objem, nebo obojí, jako poměr nabobtnání (Q) zkušebního vzorku dle následujícího vzorce (1):

27 Stanovení změn dalších fyzikálních vlastností

Fyzikální vlastnosti zkoumané v této části mohou být mechanické, elektrické, tepelné nebo optické.

Testované vzorky

Zkušební tělesa mají tvar a rozměry specifikovány vzhledem k následným zkouškám a to vždy příslušnou mezinárodní normou ISO z důvodu snadného určení zjišťovaných vlastností. Jestliže tato norma povoluje pro vzorek více rozměrů, je doporučeno volit ten s tloušťkou co nejblíže 4 mm.

Příprava zkoušky stejně tak i volba počtu zkušebních těles je dána rovněž příslušnou mezinárodní normou ISO. Samotný průběh zkoušky se řídí dle dříve zmiňovaných postupů tj. volba testovací kapaliny, stanovení teploty testování, stanovení doby ponoru. Poté se provedou počáteční měření daných fyzikálních vlastností. Vzorek se ponoří do zkušební kapaliny. Po vyjmutí tělesa se provedou finální měření sledovaných fyzikálních vlastností (postup měření musí být totožný jako u počátečního měření). A to okamžitě po vynoření tělesa, nebo po vynoření a osušení tělesa, alternativně pouze po osušení tělesa. [16]

2.2 Stanovení tahových vlastností plastů

Mezinárodní norma ČSN EN ISO 527 popisuje obecné zásady pro stanovení tahových vlastností plastů za definovaných podmínek zkoušení. Dále je specifikováno několik typů zkušebních těles pro různé druhy materiálů. Uvedené metody se používají k vyhodnocování chování zkušebních těles při namáhání v tahu a pro stanovení meze pevnosti v tahu ze závislosti napětí v tahu a poměrného prodloužení za daných podmínek.

Metody jsou vhodné pro následující materiály:

a) tuhé a polotuhé termoplasty b) tuhé a polotuhé reaktoplasty

c) kompozity plněné vlákny na bázi termoplastů a reaktoplastů d) termotropní polymery na bázi tekutých krystalů [17]

28

2.2.1 Popis metody

Zmiňovaná norma specifikuje postup zkušební metody tahové zkoušky pro plastové materiály. Základní popis tohoto procesu je následující, zkušební těleso je protahováno ve směru své hlavní podélné osy konstantní zkušební rychlostí do jeho porušení nebo do okamžiku, kdy napětí (zatížení) nebo deformace (prodloužení) dosáhnou předem zvolené hodnoty. Během zkoušky se měří zatížení působící na zkušební těleso a prodloužení viz Obr. 2.1. Zkušební tělesa mohou být jednak tvářená nebo obrobena, dále vyřezaná nebo vyseknutá na zvolené finální rozměry. Preferované rozměry udává popisovaná norma pro každou metodu zvlášť. Tyto rozměry jsou pro stanovení správných výsledků zásadní, při nedodržení daných rozměrů nebo výrobního postupu můžeme dojít k výsledkům, které není možné vzájemně porovnávat. Zásadní je také dodržování konstantní zkušební rychlosti a správné přípravy všech vzorků. [17]

Obr. 2.1: Typické deformační křivky polymerů v tahu [18]

29

2.2.2 Určení zkušebních podmínek a postupu

Zkušební zařízení

Zásadní požadavek na zkušební stroj je splnění standard mezinárodních norem ISO 7500-1 a ISO 9513. Zařízení musí rovněž být schopno udržovat konstantní zkušební rychlost (tabulka 4) a to z důvodu stanovení modulu pružnosti v tahu.

Tabulka 4.: Hodnoty doporučené zkušební rychlosti[17]

v [mm/min] 0,125 0,25 0,5 1 2 5 10 20 50 100 200 300 500

tolerance ± 20% ± 10%

Upínací čelisti musí být ke stroji upevněny tak, aby hlavní osa zkušebního tělesa procházela osou čelistí a zároveň byla shodná se směrem protahování. Čelisti musí zkušební těleso sevřít tak aby nedošlo k jeho uvolnění, současně však nesmí dojít k jeho rozdrcení nebo předčasnému porušení.

Průtahoměr neboli extenzometr může být použit kontaktní stejně tak i bezkontaktní, oba dva druhy však musí vyhovovat třídě 1 dle normy ISO 9513. Pro určení modulu pružnosti v tahu , musí být přístroj schopný měřit změnu počáteční měřené délky s přesností na 1% nebo lépe. Tuto hodnotu musí průtahoměr dokázat stanovit v kterémkoliv okamžiku měření, zároveň musí vylučovat vliv setrvačnosti, způsobené danou zkušební rychlostí. Zařízení může být také opatřeno tenzometrem, tento musí dosahovat přesnosti minimálně 1% měrné hodnoty nebo lepší.

Záznam hodnot (síla, deformace, prodloužení) sledovaných během měření musí mít dostatečnou frekvenci sběru dat a to z důvodu splnění požadavků na přesnost.

Frekvence sběru dat pro zaznamenání hodnot poměrného prodloužení závisí na:

 zkušební rychlosti [ ]

 poměru počáteční měřená délka / počáteční upínací vzdáleností mezi čelistmi

 minimální rozlišení [ ] signál poměrného prodloužení

Minimální frekvence sběru dat ze snímače na indikátor se dá tedy vyjádřit v rovnici

[ ], záznamová frekvence musí být rovna nejméně této hodnotě. [17]

30 Zkušební tělesa

Tvar a rozměry zkušebních těles jsou přesně dány, dle obrázku 2.2 a tabulky 5.

Ve všech možných případech se použije tvar oboustranných lopatek specifikovaných rozměrů. Typ 1A se volí pro vstřikovaná nebo lisovaná víceúčelová zkušební tělesa, typ 1B pro mechanicky obráběná zkušební tělesa. Podmínky přípravy je nutné zajistit pro všechna tělesa zcela shodné, tak aby vyrobené díly byly skutečně ve stejném stavu.

Povrch zkušebních těles musí být bez viditelných trhlin, škrábanců či jiných vad.

Tabulka 5.: Rozměry zkušebních těles typu 1A a 1B, v milimetrech [17]

Typ zkušebního tělesa 1A 1B

l3 Celková délka 170 150

l1 Délka zúžené části s rovnoběžnými hranami 80 ± 2 60 ± 0,5

r Poloměr 24 ± 1 60 ± 0,5

l2 Vzdálenost mezi rozšířenými částmi s rovnoběžnými hranami ^a 109,3 ± 3,2 108 ± 1,6

b2 Šířka konců 20,0 ± 0,2

b1 Šířka zúžené části 10,0 ± 0,2

h Doporučená tloušťka 4,0 ± 0,2

L0 Počáteční měřená délka 75,0 ± 0,5 50,0 ± 0,5

L Počáteční vzdálenost mezi čelistmi 115 ± 1

a l2= l1+[4r(b2- b1)-( b2- b1)²]^1/2,pro l1, r, b1 a b2, musí však být v určených mezích Obr. 2.2: Zkušební těleso typu 1A a 1B [17]

31 Při použití optického extenzometru je nutné na zkušebních tělesech vyznačit body, díky kterým určíme počáteční měřenou délku. Tyto značky však nesmí být zhotoveny vyškrábáním, vyražením, vytlačením nebo jiným nevhodným způsobem, který by mohl poškodit zkoušený materiál. Značky musí být na středu tělesa a jejich vzdálenost změřena s přesností na 1% nebo lepší.

Tělesa nesmějí být zkroucena nebo jinak deformována, kontrola se provádí vizuálně a pomocí mikrometru. Rozdíl tloušťky průřezu tělesa v nejvyšším a nejnižším bodě může dosahovat maximálně 0,1 mm. Podstatný je rovněž vliv anizotropie a to u všech výrobních metod. Směrová závislost tahových vlastností závisí na orientaci vyvolané tokem.

Počet zkušebních těles požadovaných pro jednotlivé zkoušky je minimálně pět, případně více z důvodu vyšší preciznosti. Zkušební těleso, které se v průběhu testu přetrhne nebo posune u čelistí, musí být vyřazeno a nahrazeno tělesem jiným. Při naměření hodnot odlišných z jiných důvodu je však nutné tyto data zaznamenat, protože kolísání hodnot je dáno nehomogenitou zkoušeného materiálu. [17]

Postup zkoušky

Před zahájením samotné zkoušky je nutné stanovit vhodné zkušební prostředí a zaznamenat počáteční rozměry zkušebních těles. Preferované zkušební prostředí je o teplotě 23 ± 2 °C a relativní vlhkosti 50 ± 10 % pouze pokud je zkoušený materiál citlivý vůči vlhkosti. Minimální a maximální hodnoty šířky a tloušťky těles se zaznamenávají u jednoho kusu z každé výrobní série. Hodnoty zaznamenáváme ve středu tělesa a do 5 mm od každého konce počáteční měřené délky, ze středních hodnot těchto veličin se vypočte průřez zkušebního tělesa.

Zkouška započne upnutím zkušebního tělesa do čelistí stroje a to tak aby podélná osa tělesa byla shodná s osou zkušebního stroje. Důležité je rovnoměrné a pevné utažení čelistí, tak aby nedošlo k vyklouznutí zkušebního tělesa nebo naopak jeho zlomení či rozmáčknutí v průběhu zkoušky. Neméně podstatná je absence znatelného napětí ve zkušebním tělese před započetím zkoušky. Zejména u méně tuhých materiálů může docházet ke vzniku předpětí způsobeného tlakem čelistí. Předpětí na počátku zkoušky musí být kladné, nesmí však přesáhovat tyto hodnoty pro měření modulu

pružnosti v tahu , pro měření odpovídajícího napětí .

32 Dalším krokem v postupu zkoušky je připevnění a nastavení kalibrovaného průtahoměru nebo tenzometru dříve popisovaných vlastností. Toto zařízení se připevní na počáteční měřenou délku zkušebního tělesa, v případě použití optické měření prodloužení se na tělese vyznačí počáteční mřená délka.

Po nastavení průtahoměru následuje volba zkušební rychlosti, tato hodnota se volí dle příslušné normy pro zkoušený materiál, nejsou-li takové informace dostupné, volí se hodnota z tabulky 4. Podstatné při stanovování zkušební rychlosti je požadovaný charakter výstupních dat. Pro měření modulu pružnosti musí zvolená zkušební rychlost dosahovat rychlosti deformace co nejblíže 1% měřené délky za minutu. Naopak pro stanovení diagramu napětí vůči poměrnému prodloužení do meze kluzu, a vlastností za mezí kluzu je vhodné použít různé rychlosti. Pro stanovení jiných výstupů zkoušky se pro rozdílné zkušební rychlosti musí použít samostatná zkušební tělesa. [17]

2.2.3 Vyjádření výsledků

Výpočet napětí se provede pomocí rovnice , tedy hodnota příslušného napětí [MPa] se rovná podílu naměřené síly [N] a počátečního průřezu zkušebního tělesa [mm²].

Poměrné prodloužení [%] stanovíme pomocí průtahoměru a to pro materiály, u kterých má pracovní část zkušebního tělesa homogenní rozložení poměrného prodloužení. Hodnota poměrného prodloužení do meze kluzu se vypočítá podle následujícího vzorce , je to podíl hodnoty zvětšení počáteční měřené délky tělesa [mm] ku hodnotě počáteční měřené délky [mm]. Tento postup je však správný a vhodný pro již zmiňované homogenní deformace, v opačném případě se jedná o určování poměrného prodloužení za mezí kluzu.

Modul pružnosti v tahu se určí jako sečna křivky napětí/poměrné prodloužení, a to pomocí rovnice

, tedy podíl rozdílu napětí [MPa] lomený rozdílem poměrného prodloužení [%]. Hodnoty napětí naměřeny v hodnotě pro a

pro .

Ze všech získaných výsledků se vypočítají aritmetické průměry, a dále je-li požadována směrodatná odchylka a/nebo 95% interval spolehlivosti průměrných hodnot. [17]

33

3 Praktická část

Cílem praktické části je zjistit chemickou odolnost dílců vyrobených rozdílnými technologiemi 3D tisku. Vyrobená zkušební tělesa byla testována dle příslušných mezinárodních norem. Hodnoty získané během testovaní slouží jako hlavní kritérium pro stanovení výsledných doporučení.

Cíle praktické části bakalářské práce:

A. Příprava a výroba vzorků

1. Stanovení zkušebních materiálů a chemických látek 2. Tvorba 3D modelů zkušebních těles a testovacích vzorků 3. Výroba veškerých řešených materiálů

B. Vlastní testování

4. Vstupní testování vzorků, analýza 5. Chemická zátěž zkušebních těles 6. Tahová zkouška zkušebních těles 7. Vyhodnocení výsledků

3.1 Příprava a výroba vzorků

V úvodní části testování bylo nutné zvolit testované materiály, dále také chemické látky. Tato volba proběhla na základě dlouhodobých zkušeností vedoucího laboratoře, ale také četnosti používání jednotlivých materiálů a chemikálií. V závěru bylo vybráno devět testovaných materiálů, devět chemických látek a jeden sterilizační proces, viz tabulku 6.

Tabulka 6.: Seznam testovaných zkušebních materiálů a chemických látek

Testované materiály Chemické látky Sterilizační proces

1. ABS Aceton Autokláv

2. ABS-like Ethanol

3. DM 8530 H2O

4. DM 9895 HCl

5. DurusWhite Chloroform

6. PLA Motorový olej

7. TangoBlack NaOH

8. VeroBlack Ředidlo U6002

9. VeroWhite Technický benzín

34 Po stanovení zkušebních materiálů a látek byla provedena konstrukce 3D modelů v programu Autodesk Inventor. Jednalo se o tvorbu modelu testovacího vzorku Obr. 3.1 vpravo, jehož tvar a rozměry (10 x 10 x 2 mm) byly voleny na základě diskuze s vedoucím práce, ale také konstrukce modelu zkušebního tělesa Obr. 3.1 vlevo, tvar a rozměry tohoto dílce byly stanoveny dle mezinárodní normy ČSN EN ISO 527, typ 1B.

3D Modely ve formátu CAD byly následně převedeny do formátu STL tedy speciálního stereolitografického formátu. Takový soubor může být zpracován softwarem jednotlivých výrobních technologií, tedy zaměřen a matematicky rozdělen do horizontálních vrstev. Takto upravené modely jsou již připraveny do výroby. Výrobní proces je plně automatizovaný. Tisk zkušebních těles a testovacích vzorků probíhal na třech různých výrobních zařízeních. Technologie PolyJet Matrix (Obr. 3.3) byla zastoupena zařízením Objet Connex 500. Technologie FDM byla zastoupena jednak 3D tiskárnou od výrobce Stratasys, Dimension SST 768 (Obr. 3.2) a dále také strojem Easy3DMaker, výrobce 3Dfactories. Výroba všech dílců probíhala podélným směrem v horizontální poloze.

Obr. 3.1: 3D model zkušebního tělesa a testovacího vzorku

Obr. 3.2: Výroba zkušebních vzorků ABS na zařízení Dimension SST 768

35 Obr. 3.3: Zkušební tělesa vyrobená technologií PolyJet Matrix

Po dokončení výrobního procesu a vyjmutí dílců z tiskárny bylo nutné provést jejich následné zpracování. Tato operace se odborně nazývá postprocessing, skládá se ze skupiny úkonu, které jsou rozdílné pro jednotlivé výrobní systémy. Pro technologie využité v této bakalářské práci se jednalo o odebrání přebytečného (podpůrného) materiálu, finální očištění, ale také vysušení dílců na požadovanou vlhkost.

U technologie FDM došlo k mechanickému očištění vzorků tedy k ručnímu odlámání pomocného materiálu. Zkušební tělesa vyrobená technologií PolyJet Matrix byla očištěna ve speciálním mycím boxu za pomocí tryskání vodním paprskem.

Došlo k odebrání podpůrného materiálu, který má konzistenci podobnou gelu.

Dále bylo nutné všechna tělesa dočistit ručně z důvodu garance dokonale čistého povrchu. Takto pečlivá až nadstandartní péče o povrch vzorků byla nutná z důvodu následné chemické zátěže, kdy při zanechání i nepatrně tenké vrstvy podpůrného materiálů mohlo dojít k ovlivnění výsledku.

Všechny dílce byly před vlastním testováním vysušeny v sušičce plastů na požadovanou relativní vlhkost (50 ± 10) % dle mezinárodní normy ČSN EN ISO 175.

36

3.2 Vlastní testování

3.2.1 Vstupní testování vzorků

V úvodní části určování chemické a olejové odolnosti prototypových dílců z 3D tiskáren byl vyhotoven vstupní test vzorků. Tato zkouška byla vykonána z důvodu získání základního přehledu chemické odolnosti materiálů a dále také z ekonomických účelů. Na základě získaných podkladů bylo možné určit vhodnost daného materiálu a dané chemické látky pro další testování tedy určit přesný počet následně vyráběných zkušebních těles, viz tabulku 1.

Testování vzorků probíhalo v laboratořích Fakulty textilní TUL dle mezinárodní normy ČSN EN ISO 175. Tato norma stanovuje přesné podmínky průběhu zkušební metody pro plasty kompletně ponořené do kapalných chemikálií. Na základě této normy byly zvoleny hodnoty teploty testovacího prostředí, délky doby ponoru a množství testované kapaliny.

 Teplota prostředí 23 °C ± 2 °C

 Doba ponoru (testu) 24 h

 Množství kapaliny ± 22 ml

Postup zkušební metody byl vykonán v souladu se zmiňovanou normou.

Očištěné vzorky se nejprve zvážily, poté byly vloženy do Petriho misky a to vždy jedna sada vzorků (tzn. od každého materiálu jeden kus, celkem 9ks) pro jednu chemickou látku. Byly vlity požadované chemikálie, misky uzavřeny a utěsněny (Obr. 3.4).

Obr. 3.4: Vzorky na počátku testování v uzavřených Petriho miskách

37 Po uplynutí doby testu (24 h) byly vzorky vyjmuty, otřeny a sušeny v sušičce plastů a nakonec znovu zváženy. Vyhodnocení testování probíhalo, jednak stanovením změn hmotnosti vzorků viz tabulku 7 a dále bylo provedeno optické posouzení stavu vzorků tedy změna struktury povrchu, velikosti a tvaru. Na základě analýzy vstupního testu bylo možné z dalšího testování vyřadit materiály, které tímto testem neprošly.

Došlo tak k cca 11 % úspoře finančních nákladů na výrobu zkušebních těles.

Tabulka 7.: Hmotnost vzorků s přesností na 0,1 mg ABS ABS-

like

DM 8530

DM 9895

Durus White

PLA Tango Black

Vero Black

Vero White Chemicky

nezatížené 0,1983 2,8815 0,2404 0,2298 0,2326 0,2648 0,2067 0,2393 0,2372

Aceton ^- 3,1986 0,2887 0,2681 0,2680 0,3378 0,2905 0,2780 0,2840

Ethanol 0,2005 3,1279 0,2688 0,3216 0,2519 0,2666 0,4396 0,2586 0,2550

H2O 0,1990 2,9266 0,2420 0,2358 0,2320 0,2649 0,2117 0,2384 0,2400

HCl 0,2000 2,9380 0,2590 0,2287 0,2345 0,2725 0,2195 0,2400 0,2418

Chloroform ^{- - - - 0,3162 - - - -}

Motor. olej 0,2030 2,8916 0,2471 0,2368 0,2343 0,2734 0,2093 0,2462 0,2391

NaOH 0,2005 2,9875 0,2545 0,2386 0,2368 0,2689 0,2152 0,2450 0,2490

U6002 - 3,0486 0,2993 0,3917 0,2670 0,3375 0,6630 0,2660 0,2708

Tech.benzín 0,1980 2,9208 0,2446 0,2367 0,2322 0,2666 0,2260 0,2452 0,2380 Legenda: _____ Nejvyšší nárůst hmotnosti

Průběh testování je dobře patrný na Obr. 3.5. Jedná se o dvě fotografie vzorků testovaných v acetonu vytvořené před a po zátěži. Na levé fotografii je vidět počínající modré zbarvení způsobené rozpouštěním vzorku ABS. Na pravém snímku je vzorek ABS již kompletně rozpuštěn, modré zbarvení je znatelné. Názorně je vidět narušená struktura většiny materiálů a to především u PLA a VeroWhite. U vzorků TangoBlack a DM 9895 došlo k viditelnému nabobtnání, po vysušení materiál silně zvrásnil.

Obr. 3.5: Vzorky testované v acetonu, před a po zátěži

38

3.2.2 Chemická zátěž zkušebních těles

Testování chemické odolnosti zkušebních těles probíhalo rovněž v laboratořích Fakulty textilní TUL dle mezinárodní normy ČSN EN ISO 175. Pomocí této zkušební metody bylo možné stanovit vlastnosti zkoumaných plastových těles před a po ponoření do zkušební kapaliny. Hlavním hodnotícím kritériem pro tuto zkoušku bylo stanovení změn tahových vlastností zkušebních těles. Z tohoto důvodu byly rozměry a tvar těchto těles voleny dle příslušné mezinárodní normy ČSN EN ISO 527. Dále bylo vyhotoveno určení změn hmotnosti zkušebních těles. Změny uvedených vlastností byly stanoveny pomocí pravidel předepsaných citovanými normami.

Pro tento typ zkoušky byly dle prvně zmiňované normy zvoleny hodnoty teploty testovacího prostředí, délky doby ponoru a množství testované kapaliny.

 Teplota prostředí 23 °C ± 2 °C

 Doba ponoru (testu) 24 h

 Množství kapaliny ± 440 ml

Zkušební tělesa byla vložena do odměrných válců příslušné velikosti a to vždy tři tělesa téhož materiálu pro jednu chemickou látku. Následně byly přidány požadované chemikálie o daném objemu a válce utěsněny (Obr. 3.6). Po uplynutí doby ponoru byla tělesa vyjmuta z lázně, opláchnuta, otřena a sušena v sušičce plastů. Na závěr proběhlo převážení zkušebních těles.

Obr. 3.6: Zkušební tělesa ponořená v ethanolu

39 Změny vlastností (hmotnost, tahové zatížení) byly určeny prvně u chemicky nezatížených zkušebních těles a poté pro tělesa po chemické zátěži. Stanovení změn hmotnosti je zaznamenáno v tabulce 8. U většiny těles došlo k navýšení hmotnosti díky značné nasákavosti plastů. Absorpce kapaliny může vyvolávat změny fyzikálních a chemických vlastností a tudíž změny pevnosti v tahu, tažnosti a tvrdosti, takže měření těchto vlastností po působení kapaliny je důležité. V tabulce jsou pro každý testovaný materiál vždy vyznačeny tři vzorky s nejvyšším nárůstem hmotnosti. Je zřejmé, že nejvyšší nasákavost napříč testovanými materiály byla zaznamenána u chemických látek aceton, ředidlo U6002 a ethanol.

Tabulka 8.: Průměrná hmotnost zkušebních těles s přesností na 1 mg ABS ABS-

like

DM 8530

DM 9895

Durus White

PLA Tango Black

Vero Black

Vero White Chemicky

nezatížené ^{8,288 9,552 9,781 9,320 9,672 9,350 8,616 9,690 9,596} Aceton - 10,195 10,596 13,972 10,866 - 19,787 11,573 10,124

Ethanol ^{8,334 9,724} 10,056 10,771 9,820 9,658 14,074 10,081 9,998

H2O 8,431 9,770 9,938 9,606 9,629 9,843 8,915 9,943 9,900

HCl 8,394 9,616 9,848 9,430 9,745 9,683 8,747 9,887 9,715

Chloroform - - - - 13,804 - - - -

Motor. olej 8,522 9,640 9,773 9,496 9,607 9,732 8,551 9,906 9,793

NaOH 8,405 9,630 9,813 9,365 9,616 9,236 8,667 9,722 9,723

U6002 - 9,792 10,334 12,907 10,169 11,066 - 9,910 9,970

Tech.benzín ^{8,283 9,586 9,632 9,398 9,656 9,684 8,785 9,710 9,658} Legenda: Nejvyšší nárůst hmotnosti _____ 1. _____ 2. _____ 3.

Zkušební tělesa byla též podrobena testování teplotní odolnosti sterilizačním procesem autokláv. Autokláv tedy parní sterilizátor využívá působení syté vodní páry při stanovené teplotě, tlaku a času. Vlastní proces sterilizace probíhá v uzavřené tlakové komoře. Autokláv je standardně využíván laboratořemi TUL ke sterilizaci materiálů a určení teplotní odolnosti. Zkušební tělesa byla testována v autoklávu při tlaku 101,5 kPa, teplotě vodní páry 121°C a době cca 23 min. Po ukončení zkoušky byla provedena optická kontrola, při které bylo zjištěno, že některá zkušební tělesa se zmenšila v rozmezí 3-7 %. Konkrétně se jednalo o tělesa vyrobená technologií FDM z termoplastických materiálů. U těles ABS došlo ke zkrácení o 11 mm, u PLA ke zkrácení o 5 mm.

40 Obr. 3.7: Zkušební tělesa po 24 hodinové testovací zátěži v ehtanolu

Obr. 3.8: Zkušební tělesa po 24 hodinové testovací zátěži v acetonu

41

3.2.3 Tahová zkouška zkušebních těles

V další části bakalářské práce byla zkušební tělesa podrobena zkoušce tahem na trhacím zařízení Instron 5967 (Obr. 3.9). Jedná se o všestranné trhací zařízení s dvousloupcovou konstrukcí o silové kapacitě 30 kN. K měření průtahu těles zde slouží bezkontaktní optický extenzometr s frekvencí snímání 2,5 kHz. Toto zařízení splňuje standard mezinárodních norem ISO 7500-1, ISO 9513 a rovněž normy ČSN EN ISO 527, dle které byla tahová zkouška vyhotovena.

Obr. 3.9: Průběh zkoušky na trhacím zařízení Instron 5967

Posledně zmiňovaná norma ISO 527 specifikuje postup tahové zkoušky pro plasty za definovaných podmínek zkoušení a umožňuje stanovení meze pevnosti v tahu ze závislosti napětí v tahu a poměrného prodloužení. Před zahájením testování došlo k určení zkušebních podmínek, jednak to byla volba typu a rozměrů zkušebního tělesa viz kapitoly 2.2.2 a 3.1, ale také volba hodnot zkušební rychlosti v [mm/min], ta byla zvolena na základě doporučení vedoucího laboratoře.

 TangoBlack v = 50 mm/min

 ostatní materiály v = 10 mm/min