TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní
Hodnocení dopadů zvolených technologií 3D tisku na mechanické vlastnosti plastových dílů
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Liberec 2016 Bc. Lea Hušková
Poděkování
Ráda bych využila příležitosti a touto formou vyjádřila své poděkování zejména svému školiteli Ing. Martinovi Seidlovi, nejen za jeho odbornou pomoc při řešení problematiky, ale také za rady, které mi pomohly tuto práci zpracovat.
Dále bych ráda poděkovala pracovníkům Katedry strojírenské technologie, kteří mi vždy ochotně pomohli jak při provádění experimentů, tak při odborných konzultacích během celého mého studia.
Nemalé poděkování patří i mým kolegům v zaměstnání, kteří mi umožnili toto studium absolvovat. Jim děkuji i za rady, kterých si velice cením.
V Liberci, 24. 5. 2016
Lea Hušková
Hodnocení dopadů zvolených technologií 3D tisku na mechanické vlastnosti plastových dílů
Anotace
Diplomová práce je zaměřena na technologie 3D tisku a to především na hodnocení vlivu použití těchto technologií ve vztahu k mechanickým vlastnostem vyrobených plastových součástí. 3D tisk zažívá v posledních letech velký rozvoj.
V současnosti jsou již dostupné tiskárny, které pracují různými metodami.
Nejpoužívanější metody jsou uvedeny v teoretické části této práce. Vzhled a finální vlastnosti výrobku z 3D tisku jsou ovlivněny nejen technologickými parametry, ale také způsobem stavby (orientací jednotlivých vrstev a způsobem vrstvení) a samozřejmě i použitým materiálem. Příklady materiálů, které se používají pro 3D tisk jsou také uvedeny v teoretické části.
Praktická část zahrnuje zjišťování vlivu 3D tisku na konkrétní vlastnosti materiálu a to pevnost v tahu, pevnost v ohybu, rázovou houževnatost a vrubovou houževnatost. Pro vlastní experiment byly použity 3D tiskárny Dimension SST 768, Fortus 450 - oba stroje od firmy Stratasys, RepRap - od firmy 3D Factories a nově vyvíjená technologie Freeformer - od firmy Arburg. Vzorky z uvedených 3D tiskáren jsou porovnávány s tělísky vyrobenými konvenční metodou vstřikování plastů.
Klíčová slova: 3D tisk, vstřikování plastů
Evaluation of the Impact of Chosen Technologies of the 3D Printing on Mechanical Properties of Plastic Parts
Annotation
This diploma work is focused on technologies of 3D printing especially on the assessing of the impact of using these technologies in relation to mechanical properties of manufactured plastic parts. 3D printing has experienced a great development in recent years. At present time there are available printers that work by different methods.
The most widely used methods are given in the theoretical parts of this work. The appearance and final properties of the final product from 3D printing are influenced not only by technological parameters, but also by the way of building (by the orientation of the individual layers and the layering method), and of course the materials used.
Examples of materials that are used for 3D printing are also listed in the theoretical part.
The practical part includes determining of the effect of 3D printing on the particular properties namely the tensile strength, flexural strength, impact toughness and notch toughness. The 3D printers Dimension SST 768, Fortus 450 - both from the company Stratasys, Rep Rap - from the company 3D Factories and newly developed technology Freeformer - from the company Arburg were used for the own experiment.
The examples of these 3D printers are compared to bodies produced by the conventional method of injection moulding.
Key words: 3D printing, injection moulding
Seznam zkratek a symbolů
FDM - fusion deposition modeling SLA - stereolitografie
SLS - selective laser sintering DMLS - direct metal laser sintering DLP - digital light projection
LOM - laminated object manufacturing ABS - akrylonitrilbutadienstyren CAD - computer aided design
CAM - computer aided manufacturing CNC - computer numeric control 3D - zkratka výrazu „trojrozměrný“
UV - ultrafialové PLA - polylactic acid PS - polystyren
WPC - wood plastic copolymer PC - polykarbonát
PET-G - polyetylén tereftalát - glykol PVA - polyvinyl alkohol
HIPS - houževnatý polystyrén TPE - termoplastický elastomer RepRap - replicating rapid prototyper Et - modul pružnosti v tahu [MPa]
σ₁ - napětí [MPa], naměřené při hodnotě poměrného prodloužení 0,05%
σ ₂ - napětí [MPa], naměřené při hodnotě poměrného prodloužení 0,25%
Ԑ2 - poměrné prodloužení 0,25%
Ԑ1 - poměrné prodloužení 0,05%
Ef - modul pružnosti v ohybu [MPa]
acU - rázová houževnatost Charpy zkušebních těles bez vrubu [kJ/m2] acN - rázová houževnatost Charpy zkušebních těles opatřených vrubem
[kJ/m2]
Ec - energie potřebná k přeražení zkušebního tělesa [J]
h - tloušťka zkušebního tělesa [mm]
b - šířka zkušebního tělesa [mm]
bn - šířka zkušebního tělesa pod vrubem [mm]
x - průměrná hodnota s2 - rozptyl
s - směrodatná odchylka v - variační koeficient [%]
n - celkový počet měření xi - hodnota i-tého měření
Fmax - maximální zatěžující síla [N]
σ - napětí [MPa]
10 Obsah
1. ÚVOD ... 11
2. TEORETICKÁ ČÁST ... 13
2.1 Způsoby zpracování plastů ... 13
2.2 Technologie 3D tisku ... 16
2.2.1 Proces 3D tisku ... 19
2.2.2 Metody 3D tisku ... 20
2.3 Materiály pro 3D tiskárny ... 25
2.3.1 Polymerní materiály pro 3D tisk ... 26
3. PRAKTICKÁ ČÁST ... 33
3.1 Výroba součástí z plastu 3D technologiemi ... 33
3.1.1 Dimension SST 768 ... 33
3.1.2 Fortus 450 ... 34
3.1.3 RepRap ... 35
3.1.4 Freeformer ... 36
3.1.5 Příprava zkušebních těles ... 38
3.2 Výroba součástí z plastu technologií vstřikování... 39
3.3 Prováděné zkoušky vyrobených těles z plastu konvenční technologií (vstřikování) a nekonvenčními technologiemi ... 40
3.3.1 Zkouška tahem (ČSN EN ISO 527:2012) ... 41
3.3.2 Zkouška ohybem (ČSN EN ISO 178:2011) ... 53
3.3.3 Rázová zkouška - metoda CHARPY (ČSN EN ISO 179-1:2010) ... 60
3.4 Rozměrová přesnost výroby vzorků ... 88
4. ZÁVĚR ... 92
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ ... 97
PŘÍLOHY ... 102
11
1. ÚVOD
Již naši předkové si začali uvědomovat, že lidská paměť je nespolehlivá a nedokáže uchovat pro příští generace vše přesně tak, jak by sami chtěli.
Vyspělá společnost stále více kladla důraz na co nejpřesnější uložení historických faktů, a proto bylo nutné tento problém řešit. Nejprve k tomuto účelu posloužil vynález grafických symbolů, např. hieroglyfů viz obr. 1.1.
S postupem doby a se zvýšením nároků na zápis začalo symboly nahrazovat písmo.
Následně se však musela vyřešit otázka, na jaký materiál provést zápis, aby mohl sloužit více generacím. Jako příklady jsou zde uvedeny kámen, papyrus, papír (viz obr. 1.1).
Obr. 1.1 Hieroglyfické písmo [38]
a) hieroglyfické písmo na kamenné desce; b) hieroglyfické písmo na papyru Zásadní převrat v záznamu písma přinesla druhá polovina 15. století, kdy Johannes Gutenberg představil vynález knihtisku. Jednalo se o první strojní rozmnožování textu nebo obrazu. Tímto způsobem mohly poprvé vznikat kopie tzv. tiskem z výšky, viz obr. 1.2.
Obr. 1.2 Stroj na tisk knih – knihtisk [25]
Ve třicátých letech 20. století se zrodil moderní počítač. S jeho nástupem však vyvstávají zásadní otázky – Jak uchovávat elektronická data? Je vůbec potřeba k záznamu informací papír? Ten jako „stálé medium“ přetrval, nově se ale objevují
12
tiskárny, jakožto periferní výstupní zařízení, které slouží k přenosu dat uložených v elektronické podobě na papír nebo jiné médium (fotopapír, kompaktní disk apod.).
Dnes již existuje řada tiskáren, které provedou zápis dat různými způsoby např.
inkoustem či laserem. [36]
Ve druhé polovině 20. století dochází k technologickému přelomu a tiskárny začínají sloužit i k vytváření 3D objektů – vznikají tzv. součásti, viz obr. 1.3. Součásti vyrobené pomocí 3D tisku mají stále větší využití a uplatnění v mnoha odvětvích.
Obr. 1.3 3D tiskárna Easy3DMaker [26]
13
2. TEORETICKÁ ČÁST
Práce se zabývá porovnáním různých aspektů výroby pomocí technologie 3D tisku a jejich dopadem na výsledné mechanické vlastnosti dílu při vzájemném porovnání s díly vyrobenými nejrozšířenější zpracovatelskou technologií, a to vstřikováním.
2.1 Způsoby zpracování plastů
Pro výrobu součásti z plastů se používá řada technologií. Použitelnost těchto technologií je závislá na tvaru a funkci výrobku. Plastické hmoty se zpracovávají ve stavu tekutém, tvářením nebo tvarováním a spojováním, přičemž na každou technologii mohou navazovat i konečné povrchové úpravy výrobků.
Zpracování plastických hmot v tekutém stavu
Nepřetržité lití tekuté plastické hmoty na větší plochu, např. na licí stůl, dopravní pás apod., s cílem vyrobit folii, desku nebo filmy pro konečné použití nebo jako polotovary pro další zpracovatelské technologie (výroba obalů konfekcí obaly konfekcí, foto materiál apod., viz obr. 2.1).
Obr. 2.1 Lití plastických hmot [46]
Zpracování plastických hmot tvářením
Lisování - způsob tváření materiálu ve zpravidla kovové formě (tvárník a tvárnice), při kterém se hmota vlivem tlaku a teploty tváří do požadovaného tvaru, viz obr. 2.2.
14
Obr. 2.2 Lisování plastických hmot [46]
Vstřikování - způsob tváření plastů, kdy se dávka zpracovávaného materiálu vstřikuje velkou rychlostí z tavící komory do tvarové dutiny formy, kde ztuhne ve finální výrobek viz obr. 2.3.
Obr. 2.3. Vstřikování plastických hmot [46]
Pro zhotovení výstřiku je nutné zajistit přesný sled operací, který tvoří vstřikovací cyklus, viz obr. 2.4. O mechanických a fyzikálních vlastnostech výstřiku rozhoduje v první řadě druh plastu. Z technologického hlediska má na vlastnosti plastu největší vliv především vstřikovací tlak, teplota taveniny, teplota formy, rychlost plnění dutiny formy a doba trvání dotlaku. [1]
tvárník
tvárnice
15
Obr. 2.4 Schéma činnosti vstřikovacího stroje [1]
Vytlačování – způsob nepřetržitého vytlačování roztaveného plastu do volného prostoru, viz obr. 2.5
Obr. 2.5 Vytlačování plastických hmot [46]
Válcování – způsob, kdy se surová hmota homogenizuje popřípadě plastikuje mezi válci kalandru, které jsou vytápěný například párou, viz obr. 2.6
Obr. 2.6 Válcování plastických hmot [46]
16
Tvarování - plast (fólie, desky) se předehřejí na teplotu odpovídající kaučukovitému stavu, pak je tvarován a po dosažení definitivního tvaru je ochlazen, viz obr. 2.7 [46]
Obr. 2.7 Tvarování plastických hmot [46]
2.2 Technologie 3D tisku
Historie a vývoj technologie 3D tisku je pevně spjata s vývojem elektroniky,
zejména pak počítačů. Jejich dostupnost se v posledních letech výrazně změnila a umožnila vývoj nejrůznějších průmyslových aplikací, jako jsou CAD/CAM systémy
nebo CNC řídicí systémy. Technologie 3D tisku je s těmito systémy provázána a bez jejich vývoje a pokroku by nebylo možné dosáhnout dnešní úrovně.
Počátky technologie 3D tisku spadají do druhé poloviny 20. století, kdy si Charles Hull nechal v roce 1986 patentovat technologii stereolitografie (SLA). Tato metoda spočívá v trojrozměrném laserovém tisku s využitím UV laseru a tekutého fotopolymeru, viz obr. 2.8.
Před koncem 90. let pak Hull pod hlavičkou jeho nové firmy 3D Systems vytvořil první zařízení tisknoucí v 3D formátu pro širokou veřejnost, tzv. stereolitografický aparát SLA-1, viz obr. 2.9. V té době se tomuto zařízení ještě neříkalo 3D tiskárna, nicméně modely SLA se také staly základem vývoje dnešních 3D tiskáren. [3, 4, 10]
17
Obr. 2.8 Schéma pro technologii stereolitografie [27]
1 – laser, 2 – pracovní hlava laseru, 3 – systém pro posuv nosné desky, 4 – nosná deska, 5 – pracovní vana, 6 – CNC řídicí systém, 7 – fotopolymer, 8 – podložka, 9 – vyráběná součást
Obr. 2.9 Stereolitografický aparát SLA-1[28]
Nástup konkurence na trh přinesl nové technologie, např. modelování depozicí taveniny (FDM, Fused Deposition Modeling, viz obr. 2.11) využívající termoplast či selektivní laserové spékání (SLS, Selective Laser Sintering) pracující s CO2 laserem a práškovým materiálem, viz obr. 2.10 3D Systems si však dlouho držela vedoucí pozici na trhu. Pro ukázku, do roku 1996 se po celém světě prodalo přes 600 různých přístrojů SLA.
18
Obr. 2.10 Schéma SLS [29]
Obr. 2.11 Schéma FDM [30]
19
V roce 1993 Massachusettský technologický institut (MIT) patentoval technologii trojrozměrných tiskařských technik, která pracovala s práškovým materiálem a tekutým spojovačem. Licenci k této technologii poté koupila firma Z Corporation a na její bázi započala vývoj 3D tiskáren jako takových. Pojem 3D tiskárna tedy pochází až z druhé poloviny 90. let. [3, 4, 10]
Technologie Rapid prototyping zaznamenala v posledních letech obrovský vzestup vlivem velké konkurence na trhu, kdy se firmy snaží dodat zákazníkovi rychle díl požadované kvality a vlastností při současném udržení co nejnižší ceny. Výroba prototypů je dnes již standardně součástí dlouhodobého procesu vývoje výrobku zahrnujícího různá měření, zkoušky či analýzy, po jejichž vyhodnocení je konstrukce výrobku optimalizována. Všechny tyto operace je nutné zvládnout v co nejkratším čase.
Mezi hlavní výhodu technologie Rapid prototyping proto lze zařadit rychlost tvorby i velmi tvarově složitých součástí, která je podstatně vyšší než při tvorbě součásti běžnými konvenčními technologiemi. [4, 5]
2.2.1 Proces 3D tisku
3D tisk je proces, při kterém se z digitální předlohy (3D modelu) vytváří fyzický model. Jedná se o proces aditivní, kdy se materiál přidává. Na rozdíl od obráběcích strojů, kde se z celistvého bloku materiál odebírá, až zbyde jen požadovaný tvar.
[3, 4, 10]
Nyní se 3D tisk využívá především k vytváření tzv. prototypů tzn. „Rapid prototyping“. Tyto prototypy (podle použité technologie a materiálu dosahují širokého spektra vlastností) slouží především pro ucelení představy o vzhledu (designové návrhy) a zástavbě do větších celků. Díly lze vyrobit s menší přesností a kvalitou povrchu, ale dnes je již možné tvořit díly velmi přesné s relativně dobrými mechanickými vlastnostmi. Zjednodušeně to lze vztáhnout na velikost investic, které do prototypu je zájemce ochoten vložit. Kvalitnější díly jsou zpravidla finančně i časově náročnější.
Základním principem metody 3D tisku je zpracování existujícího digitálního 3D modelu součásti, který je následně „rozřezán“ na tenké vrstvy, které jsou různými technologickými postupy vrstveny na sebe, viz obr. 2.12. Vznikne tak finální prototyp.
20
Obr.2.12 3D tisk [31]
2.2.2 Metody 3D tisku
Termínem 3D tisk, jak již bylo výše uvedeno, je technologie nebo proces vytváření trojrozměrného fyzického modelu z modelu digitálního. Při této metodě je materiál postupně přidáván a vrstven. [11]
METODA STEREOLITOGRAFIE
První zařízení pro přímou výrobu 3D modelu bylo vyvinuto v roce 1986 společností 3D Systems. Využitá technologie byla pojmenována stereolitografie a dodnes nese zkratkové
označení SLA či SL. Tato metoda, viz obr. 2.13, je založena na principu reakce roztoku pryskyřice (fotopolymer) reagující na elektromagnetické vlnění. Dochází k postupnému ozařování laserovým paprskem a v osvícených místech fotopolymer tvrdne, čímž postupně vzniká model. Výška vrstev se pohybuje nejčastěji v rozmezí 0,05-0,2 mm. Po vytvoření vrstvy, podložka, na které je prototyp stavěn, klesne o výšku jedné vrstvy dolů. Celý proces se poté opakuje. Vytvořený model se v některých případech dotvrzuje pomocí ultrazvuku, umístěním do UV komory, nebo postupným ohřátím na 150°C po dobu 30 minut a následným ochlazením. [11, 12, 13]
Obr. 2.13 Schéma stereolitografického stroje [13]
21
METODA SELECTIVE LASER SINTERING
Další technologií fungující na podobném principu je Selective Laser Sintering (SLS) představená společností EOS. Principem této metody je nanášení práškového polotovaru na tiskovou plochu, poté je pomocí výkonného laseru nataven a spojen, viz obr. 2.14. Prášek je buď nanášen na celou plochu a v neozářených místech slouží jako podpůrná konstrukce, nebo prášek nanáší přímo tisková hlava pouze na potřebná místa.
Tato technologie umožňuje výrobu jak z plastových a kovových prášků, tak i z materiálů jako je například Al2O3, SiC nebo zirkonové kompozity.
[11, 12, 13]
Obr. 2.14 Schéma metody Selective Laser Sintering [13]
METODA POWDER-BINDER PRINTING
Obdobou SLS je řešení označované Powder-binder Printig, kde práškový materiál je spojován tekutým pojivem místo vystavování materiálu laserovému záření.
Dalo by se říct, že se prášek tmelí. Zmíněný princip je označován také jako inkjetová technologie. Stroje tohoto typu většinou neprodukují žádný zápach a umožňují tisk až 390 tisíc různých barev s minimální velikostí detailů 0,1 mm a výškou vrstvy 0,089- 0,102 mm. Místo prášku může být použit jako stavební materiál také vosk. Společností zabývající se výrobou 3D tiskáren založených na tomto principu je Z Corporation.
Technologie může dosahovat velmi vysoké přesnosti, a proto se využívá pro výrobu modelů šperků. [11, 12, 13]
22
Obr. 2.15 Součást vyrobená jednou operací na stroji ZPrinter 650. [13]
METODA FUSED DEPOSITION MODELING
Levnější řešení z pohledu pořizovacích nákladů na zařízení přináší technologie nazvaná Fused Deposit Modeling známá též pod zkratkou FDM, viz obr. 2.16, 2.17.
Vyvíjena byla ze začátku především společností Stratasys.
Hlavním principem FDM technologie je natavování drátu (filamentu) z kovu nebo z termoplastu do polotekutého stavu a jeho nanášení přes trysku na tiskovou plochu, kde okamžitě tuhne. Pracovní stůl se po dokončení vrstvy posune vždy o jeden stupeň nahoru. Technologie FDM od firmy Stratasys disponuje několika druhy strojů.
Základní stroje "personal machine" jsou určeny pro malé konstrukční týmy, které potřebují bez velkého zásahu operátora získat fyzický 3D model ze zpracovávaného materiálu. Uživatel nemůže ovlivnit orientaci vláken či počáteční body jednotlivých vrstev. Lze pouze nastavit plnou či odlehčenou vnitřní strukturu a definovat typ případných podpor (plné, odlehčené, smart, atd.). Oproti tomu série označovaná jako production system využívá software, který umožňuje uživateli nastavit různé směry kladení vláken nebo i druhy výplní. Uživatel tak má větší možnost ovlivnit proces tvorby fyzického modelu. U obou přístupů nelze měnit teplotní rozsahy, plynule měnit tloušťku tisknutých vrstev.
23
Obr. 2.16 Schéma metody FDM. [13]
Pro stavbu modelu lze využít široké spektrum materiálu, mezi ně patří ABS (Acrylonitrilebutadienestyrene), PLA (Polylactic acid = kyselina polymléčná), polykarbonáty, nylon atd. Podpůrná konstrukce je nanášena pomocí další trysky. Po dokončení celého modelu je podpůrná konstrukce odstraněna mechanicky, nebo dojde k jejímu rozpuštění v lázni. Příkladem podpůrného materiálu je PS (polystyren), který se rozpouští v lemonenu. Technologii FDM využívá také velká část open-source 3D tiskáren vyrobených na základě projektu RepRap, jako je např. tiskárna Prusa i3.
Důvodem je ukončení patentové ochrany na technologii FDM [10, 11, 12, 13]
Obr. 2.17 Shéma FDM [33]
1 – tryska, 2 – vytištěný materiál, 3 – pohyblivý stůl
24
METODA LAMINATED OBJECT MANUFACTURING
Další možnosti 3D tisku přináší technologie plošná laminace deskových materiálů nazývaná Laminated Object Manufacturing (LOM). Jde o řešení na pomezí 3D tisku a frézování. Vstupním materiálem je nejčastěji papír potažený z jedné strany polyetylenem. Některé výrobky však pracují i s plastovou či kovovou fólií. Jeden ze zmíněných materiálů je nejprve navinut na tiskovou plochu, následně zažehlen válcem k předchozí vrstvě a poté nožem či laserem ořezán.
Výhody metody: možnost tisku velkých modelů a rychlost výroby.
Nevýhody metody: usazování nevyužitých částí fólií, sloužících jako podpůrný materiál, v těžko přístupných dutinách modelu a nemožnost dalšího využití odřezaných odpadních částí po dokončení modelu.
Velká spotřeba materiálu je však kompenzována jeho nízkou cenou v porovnání s jinými technologiemi 3D tisku. LOM není vhodnou metodou pro jemné prostorové konstrukce, které mohou být v závěrečném procesu separace poškozeny nebo zcela zničeny. [11, 12, 13]
Obr. 2.18 Schéma metody Laminated Object Manufacturing. [13]
25
METODA DIGITAL LIGH PROJECTION
Jednou z nejnovějších technologií 3D tisku je Digital Light Projection (DLP) vyvíjená
firmou EnvisionTEC. Její princip je podobný jako u SLA, kdy je využíván tekutý fotopolymer ozařovaný UV světlem. Tato technologie pracuje pouze s jedním stavebním materiálem. Z důvodu fixace je budován systém podpěr, které jsou po dokončení celého modelu mechanicky odstraněny. Proces výroby je velmi rychlý s velmi dobrou kvalitou povrchu. Ten však při teplotě větší než 70°C výrazně mění své parametry a stává se křehčím. [11, 12]
METODA RAPID FREEZE PROTOTYPING
Experimentální technologie Rapid Freeze Prototyping byla testovaná na univerzitě v Missouri. Základní princip je opět podobný s výše uvedenými variantami.
Jako stavební materiál je však využíván led. Celý proces probíhá v mrazicí skříni při teplotě pod bodem mrazu vody. Nahříván je pouze dávkovač a tryska, a to do takové míry, aby kapka po dopadu na předchozí již ztuhlou vrstvu ledu zchladla a připojila se k ní.
Vyrobené součásti se dají využít například jako modely při metodě lití pomocí vytavitelného modelu. Toto přináší nízké náklady, absenci zápachu a kouře, který vzniká při vytavování modelu z vosku.
Podpůrný materiál je řešen pomocí druhé trysky. Platí zde však požadavek, aby byl kompatibilní s vodou a zároveň nezávadný pro životní prostředí. Nejvhodnější vlastnosti má v současnosti směs glukózy z důvodu minimálního narušení základního materiálu. Odstranění podpůrného materiálu probíhá po umístění do místa s teplotou mezi bodem tání obou látek. [11, 12, 13]
2.3 Materiály pro 3D tiskárny
Snahou výrobců po celém světě je vyrobit materiál pro 3D tiskárny, který bude mít potřebné vlastnosti, popřípadě bude napodobovat jiné, atraktivnější materiály (dřevo, kámen). Dnes se již začínají rozšiřovat i technologie 3D tisku zpracovávající ne jen plasty, ale také materiály jako titan a jiné druhy kovů.[37]
26
2.3.1 Polymerní materiály pro 3D tisk
Plasty jsou materiály, jejichž podstatou jsou makromolekulární látky, které lze tvářet, např. teplem nebo tlakem. Za makromolekulární látku se považuje taková, jejíž molekulová hmotnost je vyšší než 10000. Makromolekulární látky se připravují polyreakcemi.
Polyreakce se mohou zúčastnit jen takové chemické sloučeniny, které mají v molekule alespoň dvě funkční skupiny schopné reagovat s dalšími molekulami.
Výchozí nízkomolekulární sloučenina se nazývá monomer. Spojováním mnoha monomerních jednotek vzniká polymer, což je látka se zcela novými vlastnostmi.
Podle schopnosti makromolekul dosáhnout většího či menšího stupně uspořádání dělíme plasty na:
1. amorfní (makromolekuly zaujímají zcela náhodnou pozici)
2. semikrystalické (makromolekuly vykazují značný stupeň uspořádanosti) Pro 3D tisk se používají amorfní plasty a to z toho důvodu, že mají menší smrštění a pnutí, tím díly dosahují lepší rozměrové a tvarové přesnosti.
Plasty lze dále dělit podle plniva na:
1. plněné (výrazným způsobem mění přísady fyzikální a mechanické vlastnosti plastu)
2. neplněné (množství přísad zásadně neovlivňuje vlastnosti určující složky – polymerní matrice)
Plniva mají různé poslání a mohou významným způsobem změnit mechanické a fyzikální vlastnosti (tepelnou vodivost, navlhavost, koeficient tření, el. vlastnosti atd.).
V rámci technologií 3D tisku jsou primárně využívány především neplněné materiály (pouze s minimálním obsahem např. barviva). Důvodem je fakt, že plniva často zanáší a poškozují tiskové trysky. Existují však i plniva (jako např. najemno mletá dřevěná moučka, či drcené minerální částice), která jsou těmito citlivými systémy do jisté míry zpracovatelné. [1]
Pro 3D tisk se používají především tyto plasty:
ABS (Akrylonitrilbutadienstyren)
PLA (Polylactic acid- kyselina polymléčná)
WPC (Wood Plastic Copolymer - dřevěně plastický kompozitní materiál)
BendLay
PC (polykarbonát)
27
Polyamid (nylon)
TPE (termoplastický elastomer)
PET-G (polyetylén tereftalát – glykol)
PVA (polyvinyl alkohol)
HIPS (houževnatý polystyrén)
XT
Lay-brick
ABS (AKRYLONITRILBUTADIENSTYREN)
Nejpoužívanější materiál pro 3D tisk je ABS. Jedná se o amorfní termoplastický kopolymer. Neupravený ABS má bílou až krémovou barvu a může se obarvit různými barvivy a pigmenty. Je odolný vůči kyselinám, hydroxidům, uhlovodíkům, olejům, tukům. Lepit lze rozpouštědlovými lepidly na bázi toluenu a methylenchloridu a také polyakrylátovými lepidly. [17]
Výhody materiálu: zdravotní nezávadnost, odolnost vůči vysokým i nízkým teplotám a mechanickému poškození.
Nevýhody materiálu: náchylnost k deformacím a vadám vlivem chladnutí Pro své vlastnosti je široce využívaným technickým plastem pro výrobu např.
domácích potřeb, hraček, hudebních nástrojů, dílů v automobilovém průmyslu apod..
Obr. 2.19 ABS materiál [38]
28
PLA (POLYLACTIC ACID – KYSELINA POLYMLÉČNÁ)
PLA plast je vyroben z obnovitelných zdrojů. Hlavní surovinou pro jeho výrobu je rostlinná biomasa (kukuřičný škrob) a přírodní látky jako např. celulóza. Jedná se o univerzální materiál pro 3D tisk vhodný i pro tisk modelů se složitým povrchem.
Výhody materiálu: zdravotně nezávadný a je možné ho ekologicky likvidovat, bez zátěže na životní prostředí, vyhovující pružnost a tvrdost.
Nevýhody materiálu: ve velmi vlhkém prostředí materiál pohlcuje vlhkost, což se projevuje jako bublinky na povrchu předmětu. Při tisku PLA zapáchá a je rozpustný v hydroxidu sodném.
Obr. 2.20 PLA materiál [32]
WPC (WOOD PLASTIC COPOLYMER – DŘEVĚNĚ PLASTICKÝ KOMPOZITNÍ MATERIÁL)
WPC materiál je složený z dřevité moučky a polymeru, viz obr. 2.21. Vzhled vytištěné součásti má proto dřevěný charakter, ale nemá nevýhodné vlastnosti dřeva jako plesnivění, změna barvy nebo možné poškození vnějšími vlivy. Vlivem teploty tisku je barva WPC tištěné součásti v různých odstínech hnědé a to od světlejší hnědé (teplota kolem 180°C) až do tmavě hnědé (teplota kolem 240°C).
Obr. 2.21 WPC materiál [35]
29 POLYAMID (NYLON)
Jedná se o materiál pružný a lehký, dobře použitelný pro tisk součástí přístrojů, jelikož je flexibilní, tlumí nárazy a umožňuje připájení k jiným částem.
Výhody:
dlouhodobá stabilita dílů
odolnost proti většině chemikálií
vysoká tepelná odolnost a vysoká pevnost v poměru k hmotnosti
velká pružnost
Obr. 2.22 Polyamid materiál [40]
PC (POLYKARBONÁT)
Polykarbonát patří mezi amorfní termoplastické plasty. Využívá se hlavně pro tisk transparentních prototypů. Z materiálů, které se používají pro 3D tiskárny patří mezi nejtvrdší materiály.
Výhody:
dobrá tepelná odolnost a odolnost proti nárazům
ohebnost si zachovává i při nízkých teplotách Nevýhody:
vysoká teplota tisku oproti ABS a PLA, což prodlužuje dobu zpracování.
30 PVA (POLYVINYL ALKOHOL)
PVA je ve vodě rozpustný syntetický polymer, který se používá pro tisk na dvouhlavých 3D tiskárnách. Principem dvouhlavých 3D tiskáren je to, že jedna hlava vytiskne podpůrné konstrukce z PVA materiálu a druhá samotný model z ABS nebo PLA materiálu. Na konec tisku se podpůrné konstrukce rozpustí ve vodě.
Obr. 2.23 PVA materiál [41]
HIPS (HOUŽEVNATÝ POLYSTYRÉN)
HIPS je termoplast, polystyrén s přídavkem kaučuku. Používá se pro tisk na dvouhlavých 3D tiskárnách jako podpůrný materiál, protože je rozpustný v limonenu. Je to velmi pevný a houževnatý materiál s dobrou teplotní stálostí.
TPE (TERMOPLASTICKÝ ELASTOMĚR)
TPE je materiál, který vznikl kombinaci polymerů s termoplastickými a gumovými vlastnostmi. Materiál TPE je měkký a pružný a proto se používá pro 3D
tisk, kdy má výsledný tisk být pevný a pružný zároveň.
Obr. 2.24 HIPS materiál [42]
31
Obr. 2.25 TPE materiál [44]
Nejnovější technologie 3D tisku už využívají i jiné materiály jako je titan a jiné druhy kovů. V našem seznamu jsme se zaměřili na materiál tisknutelný na běžně dostupných tiskárnách FDM technologii. [37]
Obr. 2.26 Technologie spékání práškových kovů [45]
NOVÉ TRENDY PRO 3D TISK
PET-G (polyetylén tereftalát glykol)
32
PETG je odolný vůči kyselinám a rozpouštědlům, vysokým i nízkým teplotám
XT
XT je amorfní kopolymer vyrobený z biologicky odbouratelných materiálů. Je transparentní, elastický a jemný na dotek.
Lay-brick
Je to nový typ vlákna vyrobený ze směsi křídy a minerálních příměsí s polymerem. Vytištěné modely mají kamenný vzhled.
Obr. 2.27 Lay - brick materiál [43]
BendLay
Materiál je vyráběn z modifikovaného butadienu. BendLay je bezbarvý, viz obr. 2.28, a jeho předností je vyšší ohebnost oproti jiným materiálům, které se používají pro 3D tisk součásti.
Obr. 2.28 BendLay materiál [36]
33
3. PRAKTICKÁ ČÁST
Cílem diplomové práce je porovnání vlivu technologií výroby plastových dílů na jejich výsledné mechanické vlastnosti. Porovnávány byly konvenční technologie (vstřikování) a nekonvenční technologie 3D tisku.
3.1 Výroba součástí z plastu 3D technologiemi
Jak již bylo výše uvedeno v kapitole 2.1.1. termín 3D technologie je proces vytváření trojrozměrného fyzického modelu z modelu digitálního. Při této metodě je materiál postupně přidáván a vrstven. [11]
Takto vyráběné součásti jsou zhotoveny na speciálních zařízeních tzv. 3D tiskárnách. Pro experiment byly vybrány tyto 3D tiskárny:
Dimension SST 768
Fortus 450 (tato tiskárna umožňuje dva způsoby kladení vrstev: Fortus 450 a Fortus 450 original)
RepRap
Freeformer
3.1.1 Dimension SST 768
Dimension SST 768, viz obr. 3.1, vytváří výrobky dle 3D modelů vytvořených v CAD programech a převedených do formátu STL. Toto zařízení zpracovává materiál ve formě vlákna, které se postupně natavuje a vytlačuje z extrudační trysky.
Obr. 3.1 Dimension SST 768
Systém Dimension SST 768 (viz obr. 3.1) se skládá ze dvou základních složek:
34
3D tiskárna Dimension
softwar Catalyst EX
3.1.2 Fortus 450
3D tiskárny rovněž používající technologii FDM, viz obr. 2.16 a obr. 2.17, které vytváří vrstvu za vrstvou zahřátím vlákna z termoplastického materiálu. Tato tiskárna umožňuje manuální nastavení orientace vláken v jednotlivých vrstvách (neorientovaný - úhel 45° od hlavní osy tělesa a orientovaný - rovnoběžně s hlavní osou tělesa).
FDM používá dva materiály ke spuštění tiskové úlohy:
1. modelovací materiál, který představuje hotový kus
2. podpůrný materiál, který se chová jako lešení, tzn. jakmile je model
dokončen, podpůrný materiál se odstraní a výrobek je připraven k dalšímu použití.
Obr. 3.2 Fortus 450mc [34]
35
Obr. 3.3 Schéma 3D tiskárny FORTUS 450
1. 3D data (formát .stl) jsou zpracována v příslušném softwaru pracovní stanice;
2. tiskové trysky se pohybují nad modelovací deskou; 3. termoplast navinutý na cívce je natavován v tiskové hlavě; 4. modelovací platforma se pohybuje v ose Z; 5. model je sestaven ze dvou odlišných materiálů: modelového a podpůrného. Podpůrný je po dokončení stavby odstraněn.[8]
3.1.3 RepRap
( replicating rapid prototyper)RepRap je mezinárodní komunitní projekt 3D tiskárny, viz obr. 3.4, vyvíjený na principu otevřeného hardware. RepRap je složen převážně z mnoha plastových dílů, které je možné vytisknout na jiném RepRapu. Samotný název RepRap je zkratkou replicating rapid prototyper, což znamená, že je schopný sebereplikace a rychlého prototypování. Veškerá dokumentace potřebná pro sestavení hardware a provoz vlastního RepRapu, včetně firmware a řídícího software, je uvolněna pod licencí GNU General Public License pod kterou je vydávána také řada volně využitelného softwaru.
Technologie RepRap se vyznačuje plným přístupem ke všem technologickým parametrům, které mohou ovlivnit průběh 3D tisku - rychlost kladení vlákna, teplota kladení vlákna, stupeň vyplnění, atd.
36
K vytvoření modelu 3D objektu tisknutelného na RepRapu lze použít jakýkoliv program pro práci s CAD nebo 3D skener. Jedinou podmínkou je podpora formátu STL pro uložení výsledného modelu.
Obr. 3.4 3D RepRap
Model ve formátu STL je nutné před samotným tiskem nařezat na jednotlivé tiskové vrstvy a spočítat pohyb tiskové hlavy včetně množství vytlačovaného plastu.
Tomuto se říká slicování z anglického pojmu slice (vrstva). Výpočet může trvat i několik hodin v závislosti na velikosti a složitosti modelu, výkonu procesoru počítače
a konkrétní implementaci sliceru. Výsledkem je soubor ve formátu GCODE určený pro tisk na konkrétní 3D tiskárně. Dle konstrukce může být opět najednou zpracováván jak stavební, tak podpůrný materiál.[9]
3.1.4 Freeformer
Freeformer, viz obr. 3.5 a obr. 3.6, je založený na vstřikování plastů do volného prostoru. Přípravu materiálu zajišťují dvě plastikační jednotky, dávkování je pak realizováno membránou s piezoelektrickým měničem a tryskou o volitelném průměru
37
0,25 mm, 0,2 mm nebo 0,15 mm. Dávkovací jednotka je stacionární, pohybuje se vyráběný dílec umístěný na tříosém pracovním stole. Rozměr zhotovitelného dílce je v současnosti 230x130x250 mm.
Obr. 3.5 Granulát zpracovávaný tiskárnou Freemormer (vlevo), schéma zařízení Freeformer od společnosti Arburg (vpravo) [15]
Vstupním materiálem pro Freeformer je běžný plastový granulát, viz obr. 3.5. Vzhledem k faktu, že se jedná o otevřený systém, je možné použít i vlastní granulát bez nutnosti nakupování speciálních a nákladných materiálů. [14]
Obr. 3.6 Princip stavby modelu pomocí zařízení Freeformer od společnosti Arburg [16]
38
3.1.5 Příprava zkušebních těles
Rozměry a tvary zkušebních těles jsou vyrobeny dle příslušných norem. U těles vyrobených na 3D tiskárnách je navíc poloha zkušebních těles při tisku v různých směrech a to pod úhlem 0º, 45º a 90º viz obr. 3.7 a 3.8.
Obr. 3.7 Schéma směru kladení vrstev na 3D tiskárnách
Tiskárna Fortus 450 umožňuje manuální nastavení orientace vláken v jednotlivých vrstvách:
neorientovaný - úhel 45° od hlavní osy tělesa (Fortus 450)
orientovaný - rovnoběžně s hlavní osou tělesa (Fortus 450 original)
Obr. 3.8 Poloha zkušebních těles při tisku
45°
45°
0° 90° 0° 90°
39 Tabulka 1 Parametry nastavení 3D tisku
3D tiskárna materiál [°C] support[°C] komora[°C] vrstva[mm]
Dimension 280 250 75 0,254
Fortus 450 285 250 85 0,254
extruder[°C] deska[°C] vrstva[mm]
RepRap 280 230 70 0,2
tryska [°C] komora[°C] vrstva[mm]
Freeformer 280 220 80 0,21
Materiálem pro 3D tisk byl ABS-M30 Model (White) od firmy Stratasys, viz příloha 10.
Jednotlivé nastavení technologických parametrů je shrnuto v tabulce 1.
3.2 Výroba součástí z plastu technologií vstřikování
Nejrozšířenější technologií zpracování termoplastů je tzv. vstřikování plastů.
Jak již bylo uvedeno v kapitole 2.2, jedná se o způsob tváření plastů, kdy se dávka zpracovávaného materiálu za souběžného působení zvýšeného tlaku a teploty vstřikuje z tavící komory do tvarové dutiny formy, viz obr. 2.3.
Obr. 3.9 Vstřikovací stroj ARBURGER ALLROUNDER 470 S 1000-400[19]
40 Tabulka 2 Parametry vstřikování zkušebních těles
Teplotní profil tavící komory stroje [˚C] Sušení – horkovzdušná sušárna
Násypka 40 Doba 4h
4. zóna 235 Teplota 80°C
3. zóna 240 2. zóna 245 1. zóna 245 tryska 250
Zpracování a kondicionování zkušebních těles z ABS bylo provedeno dle norem:
ISO 294-1 vstřikování zkušebních těles z termoplastů
ISO 2580-2 ABS-Příprava zkušebních těles a stanovení vlastností (kondicionování 23°C, 50% vlhkosti, min. 16 hodin)
Materiálem pro vstřikování byl granulovaný ABS-M30 Model (White) od firmy Stratasys, viz příloha 10. Nastavení technologických parametrů pro vstřikování je shrnuto v tabulce 2.
3.3 Prováděné zkoušky vyrobených těles z plastu konvenční technologií (vstřikování) a nekonvenčními technologiemi
Pro porovnání mechanických vlastností plastových těles vyrobených různými technologiemi výroby byly vybrány tyto zkoušky:
I. Zkouška tahem (ČSN EN ISO 527:2012) II. Zkouška ohybem (ČSN EN ISO 178:2011)
III. Rázová zkouška - metoda CHARPY (ČSN EN ISO 179-1:2010)
Dále byly provedeny u všech zkoušek výpočty základních statistických veličin (průměrná hodnota, rozptyl, směrodatná odchylka, variační koeficient) podle vztahů 3-1 až 3-4.
Průměrná hodnota měření:
(3-1) Rozptyl:
(3-2) n
x x
x n
x
x n
n
i
i 1 2 ....
1
n x sx2
xi 241 Směrodatná odchylka:
(3-3) Variační koeficient:
(3-4)
kde značí: x – průměrná hodnota měření s – směrodatná odchylka s2 – rozptyl
v – variační koeficient [%]
xi – hodnota i-tého měření n – celkový počet měření [47]
3.3.1 Zkouška tahem (ČSN EN ISO 527:2012)
Zkušební těleso je protahováno ve směru své hlavní osy konstantní rychlostí zkoušení do jeho porušení nebo do okamžiku, kdy napětí v tahu nebo poměrné prodloužení dosáhnou předem zvolené hodnoty (obr. 3.12). Během zkoušky se měří zatížení působící na zkušební těleso a prodloužení. [20]
U tahových vlastností způsobuje viskoelastické chování plastů nelineární průběh křivek napětí/poměrné prodloužení i v oblasti lineární viskoelasticity. Tento efekt je zřejmý v případě houževnatých plastů. V důsledku toho hodnoty tangenciálního modulu určené z počáteční části křivek (napětí/poměrné prodloužení) závisí na použitém měřítku os. Tato konvenční metoda, tangenta k počátečnímu bodu křivky, nedává u těchto materiálů spolehlivé hodnoty modulů. Proto měření modulu Et [MPa]
(obr. 3.10) vychází ze dvou hodnot poměrných prodloužení, tj. 0,25% a 0,05%. Modul pružnosti v tahu Et je určený jako sečna křivky napětí/poměrné prodloužení (viz vztah 3-5). V případě křehkých plastů poskytují obě metody stejné hodnoty. [20,21]
(3-5) 2
x
x
s
s
x 100
v
x s
x42
Kde je: σ₁ napětí [MPa], naměřené při hodnotě poměrného prodloužení 0,05%
σ ₂ napětí [MPa], naměřené při hodnotě poměrného prodloužení 0,25%
Ԑ2 poměrné prodloužení 0,25%
Ԑ1 poměrné prodloužení 0,05 %
Obr. 3.10 Přístroj na měření modulu
Pro zkoušku tahem podle ČSN EN ISO 527-2 byl zvolen tvar zkušebního tělesa 1B, viz obr. 3.11.
Zvolené parametry zkoušky, viz tabulka 3:
1. upínací vzdálenost mezi čelistmi L = 115mm 2. počáteční měřená délka L0 = 50 mm
3. zkušební rychlost v = 50mm/min
43
Obr. 3.11 Zkušební tělesa typu 1A a 1B [21]
Tabulka 3 Parametry tahové zkoušky ČSN EN ISO 527-2 [21]
44
Obr. 3.12 Zkušební stroj - tah VÝSLEDKY ZKOUŠKY TAHEM
Tabulka 4 Vstřikování – mez pevnosti, modul pružnosti v tahu Mez pevnosti σ [MPa]
Modul pružnosti v tahu Et [MPa]
Vstřik
1 35,8 2159,82
2 35,4 2149,21
3 36,3 2155,68
4 35,3 2105,01
5 35,2 2118,79
[MPa] 35,6 2137,70
s [MPa] 0,404 21,77
s² [MPa2] 0,164 474,25
v [%] 1,13 1,01
45
Tabulka 5 Vstřikování – poměrné prodloužení, síla Fmax
Poměrné prodloužení Ԑ [%] Největší zatěžující síla Fmax [N]
Vstřik
1
3,7 1530,82
3,7 1528,53
3,7 1549,94 3,7 1515,4
5 3,7 1517,2
[%]/[N] 3,7 1528,36
s [%]/[N] 0 12,34
s² [%]/[N2] 0 152,49
v [%] 0 0,80
Tabulka 6 Dimension – mez pevnosti, modul pružnosti v tahu
Mez pevnosti σm [MPa] Modul pružnosti v tahu Et [MPa]
Dimension směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚ směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
1 19,1 25,3 22,0 1534,99 1832,77 1665,94
2 20,5 25,0 23,2 1555,21 1823,96 1729,08
3 20,1 25,8 22,8 1686,13 1842,31 1714,50
4 21,7 25,5 22,4 1778,49 1831,94 1705,45
5 20,5 25,3 22,7 1678,96 1814,36 1738,77
[MPa] 20,38 25,38 22,62 1646,75 1829,06 1710,74
s [MPa] 0,83 0,26 0,4 90,34 9,37 25,18
s² [MPa2] 0,69 0,06 0,16 8162,71 87,94 634,23
v [%] 4,09 1,03 1,77 5,48 0,51 1,47
Tabulka 7 Dimension – poměrné prodloužení, síla Fmax
Poměrné prodloužení Ԑ [%] Největší zatěžující síla Fmax [N]
Dimension směr 0˚
směr 90˚ směr 45˚ směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚1 2,1
1,9 1,7 865,9 1043,2 1022,22 2,2
1,9 1,9 849,9 1068,1 1011,23 2,2
1,9 1,9 911,2 1062 995,74 2,1 1,9 1,8 860,9 1054,8 1018,4
5 2,2 1,9 1,8 855,2 1053,2 1026,7
[%]/[N] 2,16 1,9 1,82 868,62 1056,26 1014,84
s [%]/[N] 0,04 0 0,07 21,95 8,42 10,83
s² [%]/[N2] 0,0024 0 0,0056 482,11 71,03 117,41
v [%] 2,26 0 4,11 2,52 0,79 1,06
46
U vzorků vyrobených na 3D tiskárně Dimension jsou hodnoty Fmax a Et nejvyšší ve směru 90˚ (viz graf 1, tabulka 6 a 7). Tyto vzorky vykazují výrazně nižší hodnoty Fmax a Et ve srovnání se vzorky vyrobenými klasickou metodou vstřikování.
Tabulka 8 Fortus 450 – mez pevnosti, modul pružnosti v tahu
Mez pevnosti σ [MPa] Modul pružnosti v tahu Et [MPa]
Fortus 450 směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚ směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
1 37,2 37,3 36,1 2347,01 2404,33 2338,72
2 37,7 37,3 35,9 2415,65 2397,51 2348,01
3 37,6 37,0 36,0 2399,94 2427,57 2349,05
4 37,7 37,3 35,9 2383,26 2374,54 2324,72
5 38,0 36,9 35,9 2445,48 2415,85 2326,64
[MPa] 37,64 37,16 35,96 2398,26 2403,96 2337,42
s [MPa] 0,25 0,17 0,08 32,82 17,92 10,26
s² [MPa2] 0,06 0,03 0,01 1077,30 321,21 105,31
v [%] 0,68 0,46 0,22 1,36 0,74 0,43
0 500 1000 1500 2000
směr 0˚
směr 90˚
směr 45˚
868,62 1056,26 1014,84
1646,75 1829,06 1710,74
F max [N] /Et [MPa]
Směr orientace modelu v pracovním prostoru
Dimension - tah
Graf 1 Závislost Fmax, Et na směru orientace modelu v pracovním prostoru (Dimension)
47
Tabulka 9 Fortus 450 – poměrné prodloužení, síla Fmax
Poměrné prodloužení Ԑ [%] Největší zatěžující síla Fmax [N]
Fortus 450 směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚ směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
1 2,3 2,1 2,1 1506,7 1379,1 1520,6
2 2,2 2,1 2,1 1506,2 1357,0 1518,3
3 2,1 2,1 2,1 1507,3 1376,4 1520,0
4 2,2 2,1 2,1 1518,9 1358,7 1517,8
5 2,1 2,1 2,2 1488,5 1380,8 1518,9
[%]/[N] 2,18 2,1 2,12 1505,52 1370,4 1519,12
s [%]/[N] 0,07 0 0,04 9,73 10,35 1,04
s² [%]/[N2] 0,0056 0 0,0016 94,74 107,26 1,08
v [%] 3,43 0 1,88 0,64 0,75 0,06
Graf 2 Závislost Fmax , Et na směru orientace modelu v pracovním prostoru (Fortus 450)
3D tiskárna Fortus 450 vykazuje hodnoty Fmax nejnižší ve směru 90˚ a naopak hodnoty Et jsou v tomto směru nejvyšší (viz graf 2, tabulka 8 a 9). Vzorky vyrobené touto 3D tiskárnou vykazují ve všech směrech (0˚, 90˚, 45˚) nepatrně vyšší hodnoty Et než vzorky vyrobené vstřikováním (Et=2137,7MPa). Síla Fmax je srovnatelná se směry 0˚ a 45˚.
0 500 1000 1500 2000 2500
směr 0˚
směr 90˚
směr 45˚
1505,52 1370,4 1519,12
2398,26 2403,96 2337,42
F max [N] /Et [MPa]
Směr orientace modelu v pracovním prostoru
Fortus 450 - tah
48
Tabulka 10 Fortus 450 original – mez pevnosti, modul pružnosti v tahu Mez pevnosti σ [MPa]
Modul pružnosti v tahu Et[MPa]
Fortus 450
original směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚ směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
1 32,6 37,5 34,3 2261,22 2405,97 2318,66
2 33,2 37,6 34,2 2225,63 2357,34 2280,41
3 33,5 37,6 34,3 2303,39 2365,23 2290,46
4 33,3 37,8 34 2243,28 2405,28 2281,97
5 33,4 37,8 34,2 2252,18 2399,9 2302,21
[MPa] 33,2 37,66 34,2 2257,14 2386,74 2294,74
s [MPa] 0,31 0,12 0,1 25,94 21,04 14,24
s² [MPa2] 0,1 0,01 0,01 673,05 442,75 202,94
v [%] 0,95 0,31 0,32 1,149 0,88 0,62
Tabulka 11 Fortus 450 original – poměrné prodloužení, síla Fmax
Poměrné prodloužení Ԑ [%] Největší zatěžující síla Fmax[N]
Fortus 450
original směr 0˚
směr 90˚
směr
45˚ směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
1 2,4 2,2 2,1 1389,6 1552,4 1453,6
2 2,3 2,1 2,1 1399,6 1554,1 1462,4
3 2,2 2,1 2,1 1396,3 1556,9 1452,4
4 2,3 2,1 2,1 1399,6 1557,4 1460,7
5 2,3 2,2 2,1 1363,7 1552,4 1459,6
[%]/[N] 2,3 2,14 2,1 1389,76 1554,64 1457,74
s [%]/[N] 0,06 0,04 0 13,53 2,14 3,98
s² [%]/[N2] 0,004 0,002 0 183,11 4,61 15,91
v [%] 2,74 2,28 0 0,97 0,13 0,27
Graf 3 Závislost Fmax, Et na směru orientace modelu v pracovním prostoru ( Fortus 450 original)
0 1000 2000 3000
směr 0˚
směr 90˚
směr 45˚
1389,76 1554,64 1457,74
2257,14 2386,74 2294,74
F max [N] /Et [MPa]
Směr orientace modelu v pracovním prostoru
Fortus 450 originál - tah
49
Na 3D tiskárně Fortus 450 i způsob kladení vrstev nazvaný jako originál má vyšší hodnotu Et ve všech směrech (0˚, 90˚, 45˚), než je tato hodnota u vzorků vyrobených vstřikováním (Et=2137,7MPa). Hodnotu Fmax má vyšší pouze ve směru 90˚.
Nejvyšší hodnoty Et a Fmax vykazuje směr 90˚ (viz graf 3, tabulka 10 a 11).
Tabulka 12 RepRap – mez pevnosti, modul pružnosti v tahu
Mez pevnosti σ [MPa] Modul pružnosti v tahu Et [MPa]
Rep Rap směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚ směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
1 40,8 32,7 28,1 2434,35 1901,98 1636,14
2 23 31,6 31,2 1426,94 1836,9 1763,63
3 25,3 34,4 28 1504,82 1942,98 1597,85
4 23,1 32,3 33 1438,56 1907,8 1865
5 25,4 32,3 29,8 1536,25 1912,3 1698,85
[MPa] 27,52 32,66 30,02 1668,18 1900,39 1712,29
s [MPa] 6,71 0,93 1,901 385,23 34,76 94,902
s² [MPa2] 45,14 0,88 3,61 148406,1 1208,83 9006,42
v [%] 24,41 2,87 6,33 23,09 1,82 5,54
Tabulka 13 RepRap – poměrné prodloužení, síla Fmax
Poměrné prodloužení Ԑ [%] Největší zatěžující síla Fmax [N]
Rep Rap směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚ směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
1 2,5 2,5 2,6 1009,4 1281,7 1351,3
2 3 2,7 2,5 1077,3 1361,8 1149,2
3 2,8 2,3 2,6 1663,5 1298,9 1333,1
4 3 2,3 2,5 1086,3 1165,7 1316
5 2,9 2,3 2,5 1654,5 1178,4 1225,2
[%]/[N] 2,84 2,42 2,54 1298,2 1257,3 1274,96
s [%]/[N] 0,18 0,16 0,048 295,803 74,64 76,39
s² [%]/[N2] 0,03 0,025 0,0024 87499,5 5572,38 5836,79
v [%] 6,53 6,61 1,92 22,78 5,93 5,99
50
Graf 4 Závislost Fmax, Et na směru orientace modelu v pracovním prostoru (RepRap) 3D tiskárna RepRap vykazuje nejvyšší hodnotu Et ve směru 90˚ a síla Fmax je ve všech směrech přibližně stejná (viz graf 4, tabulka 12 a 13). Všechny hodnoty Fmax a Et
jsou nižší než u vzorků vstřikovaných.
Tabulka 14 Freeformer – mez pevnosti, modul pružnosti v tahu
Mez pevnosti σ [MPa] Modul pružnosti v tahu Et [MPa]
Freformer směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚ směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
1 30,7 32,2 není 2255,41 2341,28 není
2 30,1 32,4 není 2202,49 2396,2 není
3 30,1 32,5 není 2236,43 2410,16 není
4 30,4 32,8 není 2204,32 2286,08 není
5 30,1 32,2 není 2252,93 2308,07 není
[MPa] 30,28 32,42 2230,31 2348,35
s [MPa] 0,24 0,222 22,92 48,29
s² [MPa2] 0,057 0,049 525,71 2332,02
v [%] 0,792 0,686 1,02 2,056
Tabulka 15 Freeformer – poměrné prodloužení, síla Fmax
Poměrné prodloužení Ԑ [%] Největší zatěžující síla Fmax [N]
Freeformer směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚ směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
1 3,4 3,3 není 1247,2 1340,3 není
2 3,5 3,2 není 1220,5 1344 není
3 3,5 3,2 není 1246,5 1355,1 není
4 3,4 3,2 není 1254,5 1341,8 není
5 3,5 3,3 není 1234,4 1340,2 není
[%]/[N] 3,46 3,24 1240,62 1344,28
s [%]/[N] 0,048 0,048 11,95 5,58
s² [%]/[N2] 0,0024 0,0024 142,8 31,15
v [%] 1,41 1,51 0,96 0,41
0 1000 2000
směr 0˚
směr 90˚
směr 45˚
1298,2 1257,3 1274,96
1668,18 1900,39 1712,29
F max [N] /Et [MPa]
Směr orientace modelu v pracovním prostoru
RepRap - tah
51
Graf 5 Závislost Fmax, Et na směru orientace modelu v pracovním prostoru (Freeformer) U tiskárny Freeformer byly zkoumány pouze vzorky vyrobené ve směru 0˚
a 90˚, hodnoty Et jsou srovnatelné s hodnotami vstřikovaných vzorků, ale hodnoty Fmax
jsouu vstřikování vyšší.
Tabulka 16 Modul pružnosti v tahu Modul pružnosti v tahu Et [MPa]
směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
Dimension 1646,75 1829,06 1710,74
Fortus 450 2398,26 2403,96 2337,42
Fortus 450 original 2257,14 2386,74 2294,74
Rep Rap 1668,18 1900,39 1712,29
Freeformer 2230,31 2348,35
Vstřikovaní 2137,7
Graf 6 Závislost průměrných hodnot Et na směru orientace modelu v pracovním prostoru
0 1000 2000 3000
směr 0˚
směr 90˚
směr 45˚
1240,62 1344,28 0
2230,31 2348,35 0
F max [N] /Et [MPa]
Směr orientace modelu v pracovním prostoru
Freeformer - tah
Dimension Fortus 450 Fortus 450 original Rep Rap Freeformer Vstřikovaní 0
500 1000 1500 2000 2500
směr 0˚ směr 90˚
směr 45˚
1646,75 1829,06 1710,74
2398,26 2403,96 2337,42
2257,14 2386,74 2294,74
1668,18 1900,39 1712,292230,31 2348,35
2137,7
Et [MPa]
Směr orientace modelu v pracovním prostoru
Modul pružnosti v tahu
52 Tabulka 17 Síla Fmax
Tahová zkouška - Největší zatěžující síla Fmax [N]
směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
Dimension 868,62 1056,26 1014,84
Fortus 450 1505,52 1370,4 1519,12
Fortus 450 original 1389,76 1554,64 1457,74
Rep Rap 1298,2 1257,3 1274,96
Freeformer 1240,62 1344,28
Vstřikovaní 1528,36
Graf 7 Závislost průměrných hodnot Fmax na směru orientace modelu v pracovním prostoru
Tabulka 18 Mez pevnosti v tahu σ
Tahová zkouška - Mez pevnosti σ [MPa]
směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
Dimension 20,38 25,38 22,62
Fortus 450 37,64 37,16 35,96
Fortus 450 original 33,2 37,66 34,2
Rep Rap 27,52 32,66 30,02
Freeformer 30,28 32,42
Vstřikovaní 35,6
Dimension Fortus 450 Fortus 450 original Rep Rap Freeformer Vstřikovaní 0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
směr 0˚ směr 90˚ směr 45˚
868,62 1056,26 1014,84
1505,52 1370,4 1519,12
1389,76 1554,64 1457,74
1298,2 1257,3 1274,96
1240,62 1344,281528,36
Fmax [N]
Směr orientace modelu v pracovním prostoru
Největší zatěžující síla v tahu
53
Graf 8 Závislost průměrných hodnot σ na směru orientace modelu v pracovním prostoru
3.3.2 Zkouška ohybem (ČSN EN ISO 178:2011)
Podstatou zkoušky je zatěžování zkušebního tělesa volně podepřeného dvěma podpěrami přítlačným trnem uprostřed jejich rozpětí (tříbodový ohyb), viz obr. 3.13, 3.14.
Při ohybové zkoušce se jedná o namáhání tlakem a tahem současně: v horních vrstvách je napětí tahové, směrem k neutrální ose se zmenšuje a přes nulové napětí se mění v dolní polovině průřezu na tlakové. [22]
Obr. 3.13 Zkušební stroj - ohyb Obr. 3.14 Schéma zkoušky ohybem [22]
Dimension Fortus 450 Fortus 450 original Rep Rap Freeformer Vstřikovaní 0
5 10 15 20 25 30 35 40
směr 0˚ směr
90˚
směr 45˚
20,38 25,38 22,62
37,64 37,16 35,96
33,2 37,66 34,2
27,52 32,66 30,0230,28 32,42
35,6
pevnost v tahu σ [MPa]
Směr orientace modelu v pracovním prostoru
