Wpływ parametrów druku 3D na właściwości mechaniczne wytworzonych części

Wpływ parametrów druku 3D na właściwości mechaniczne modeli 3D

Do badań wykorzystano drukarkę BCN3D Epsilon W50, używając powszechnie stosowanych materiałów w tej technologii: PLA, PETG i ABS. Ocena wytrzymałości mechanicznej została przeprowadzona za pomocą testów jednoosiowego rozciągania, uwzględniając zróżnicowane parametry. Całe badanie obejmowało testowanie łącznie 495 próbek, zgodnie ze standardem UNE-EN ISO 527-2 Typ 1A, zgodnie z modelem testowym formowania tworzyw sztucznych lub ekstruzji.

Oczekiwaniem jest, że wzrost temperatury ekstruzji, gęstości i liczby ścian spowoduje, że wydrukowane części będą charakteryzować się poprawionymi właściwościami. W rezultacie wyższa prędkość druku i zmniejszona wysokość warstwy mogą potencjalnie prowadzić do obniżenia wytrzymałości mechanicznej, choć dokładny zakres ich wpływu pozostaje niepewny.

Główne założenia analizy próbek z drukarki Epsilon W50

Rodzaj wypełnienia: Przypuszcza się, że wypełnienie typu Grid oferuje wyższą wytrzymałość w porównaniu z wypełnieniami Gyroid i Triangular ze względu na swoją połączoną strukturę siatki.

Gęstość wypełnienia: Wyższa gęstość wypełnienia ma przyczynić się do zwiększenia wytrzymałości mechanicznej, ponieważ większa ilość materiału w części powinna poprawić jej zdolność do wytrzymywania naprężeń.

Wysokość warstwy: Przypuszcza się, że niższa wysokość warstwy niekorzystnie wpłynie na wytrzymałość mechaniczną z powodu słabej adhezji między warstwami.

Prędkość druku: Przewiduje się, że zwiększona prędkość druku spowoduje obniżenie jakości części z powodu niestabilności ekstruzji i mniej skutecznego wiązania między warstwami, potencjalnie osłabiając wytrzymałość mechaniczną.

Temperatura druku: Oczekuje się, że wyższy zakres temperatury druku poprawi wiązanie między warstwami, tym samym zwiększając wytrzymałość mechaniczną części. Z kolei niższe temperatury mogą prowadzić do zimnej ekstruzji z utratą materiału.

Liczba ścian: Przypuszcza się, że większa liczba ścian znacząco zwiększy wytrzymałość mechaniczną wydrukowanych części, zapewniając większą stabilność strukturalną.

Wyniki analizy próbek z drukarki Epsilon W50

W kolejnej sekcji wykresy prezentują różne wyniki i wnioski

Wpływ rodzaju wypełnienia

Analizując uzyskane dane i widząc, że w zależności od materiału, każdy rodzaj wypełnienia działa inaczej, możemy stwierdzić, że wzór nie ma istotnego wpływu na ostateczne właściwości części. Choć prawdą jest, że ABS i próbki testowe z PETG z wypełnieniem gyroidalnym wykazują najwyższe obciążenia, różnice i zmienność w porównaniu z PLA uniemożliwiają stwierdzenie, że ten rodzaj wypełnienia jest najlepszy pod względem poprawy właściwości mechanicznych. Dlatego założenie, od którego rozpoczęto ten test, oczekując lepszych wyników wypełnienia siatkowego, a następnie trójkątnego, a na końcu gyroidalnego, jest nieprawidłowe.

Wpływ gęstości wypełnienia

Analizując uzyskane wyniki, możemy stwierdzić, że założenie ustalone przed testem było prawidłowe. Innymi słowy, właściwości mechaniczne części zwiększają się wraz ze wzrostem gęstości. Ta teza jest znacznie bardziej wyraźna w przypadku PLA i PETG, podczas gdy w przypadku ABS jest znacznie mniej zauważalna, aż do punktu, że nie zwiększa wytrzymałości na rozciąganie między próbkami o 60% wypełnienia a tymi o 80%. Może to być spowodowane rodzajem struktury polimerowej, jaką tworzy każdy z materiałów, przy czym PLA i PETG są materiałami o strukturze krystalicznej, podczas gdy ta ABS ma bardziej amorficzną strukturę. Ponadto możemy również stwierdzić, że zwiększenie gęstości wydrukowanych części ABS o więcej niż 60% nie gwarantuje większej wytrzymałości mechanicznej.

Wpływ wysokości warstwy

Jak się spodziewano, wzrost wysokości warstwy zapewnia lepsze właściwości wydrukowanych części. Wynika to z faktu, że, jak wspomniano wcześniej, jest mniej "słabych punktów" w całej części. Słabe punkty to połączenia każdej z drukowanych warstw, ponieważ adhezja między warstwami nigdy nie będzie miała takiej samej wytrzymałości mechanicznej jak materiał sam w sobie.

Wpływ prędkości druku

Po analizie danych dochodzimy do wniosku, że podobnie jak wyższa prędkość druku zwiększa niestabilność w ekstruzji materiału i tym samym zwiększa możliwość powstawania niedoskonałości w wydrukowanej części, prowadząc do słabszej wytrzymałości mechanicznej, istnieje także dolne ograniczenie tej prędkości druku. To znaczy, że nie jest prawdą, że niższa prędkość druku prowadzi do wyższej wytrzymałości mechanicznej. Każdy materiał ma optymalny zakres temperatury roboczej do druku. Jeśli temperatura robocza jest poniżej tego zakresu, materiał będzie ekstrudowany na zimno, podczas gdy jeśli temperatura druku jest powyżej tego zakresu, materiał może ulec degradacji, krystalizując swoją strukturę polimerową i powodując nieprawidłową ekstruzję.

Podsumowanie analizy próbek z drukarki Epsilon W50

Analiza wpływu parametrów druku 3D na właściwości mechaniczne części dostarcza istotnych informacji dla branży przemysłowej i inżynieryjnej. Zrozumienie tego, jak różne ustawienia wpływają na wytrzymałość mechaniczną, pozwala na optymalizację procesów produkcyjnych i wybór najlepszych parametrów dla określonych zastosowań.

Wnioski z tego badania podkreślają znaczenie starannego dobrania parametrów druku 3D, takich jak gęstość wypełnienia, wysokość warstwy czy prędkość druku, w celu uzyskania pożądanych właściwości mechanicznych w wydrukowanych częściach. Dalsze badania i eksperymenty są konieczne, aby lepiej zrozumieć kompleksowy wpływ różnych czynników na finalną jakość i wytrzymałość wydrukowanych elementów.