Влияние параметров FFF-печати на механическую прочность 3D-печатных деталей

Целью данного исследования является изучение влияния параметров 3D-печати, в частности с использованием технологии изготовления плавленых нитей (FFF), на механические характеристики производимых деталей. В ходе анализа было изучено 495 отпечатанных образцов с различными ключевыми параметрами, такими как температура экструзии, скорость печати, плотность, геометрия заполнения, высота слоя и количество стенок.

Был использован принтер BCN3D Epsilon W50 с использованием широко используемых в этой технологии материалов:PLA, PETG и ABS. Оценка механической прочности проводилась посредством испытаний на одноосное растяжение с учетом разнообразных параметров. Это исследование было проведено путем тестирования в общей сложности 495 образцов в соответствии со стандартом UNE-EN ISO 527-2 типа 1A, с соблюдением модели испытаний методом формования пластмассы или экструзии.

Ожидается, что увеличение температуры экструзии, плотности и количества стенок приведет к тому, что напечатанные детали будут проявлять улучшенные свойства. Как следствие, более высокая скорость печати и уменьшенная высота слоя потенциально могут привести к снижению механической прочности, хотя точная степень их воздействия остается неопределенной.

Основные гипотезы

• Тип заполнения :Предполагается, что заполнитель Grid обеспечивает более высокую прочность по сравнению с заполнителями Gyroid и Triangular благодаря своей взаимосвязанной решетчатой структуре.
• Плотность заполнения: Ожидается, что более высокая плотность заполнения будет способствовать повышению механической прочности, поскольку больше материала внутри детали должно повысить ее способность противостоять нагрузкам.
• Высота слоя: Предполагается, что меньшая высота слоя отрицательно влияет на механическую прочность из-за слабой адгезии между слоями.
• Скорость печати: Предполагается, что повышенная скорость печати приведет к снижению качества детали из-за нестабильности экструзии и менее эффективного соединения между слоями, что потенциально ослабляет механическую прочность.
• Температура печати: Ожидается, что более высокий температурный диапазон улучшит соединение между слоями, тем самым повысив механическую прочность деталей. И наоборот, более низкие температуры могут привести к холодной экструзии с потерей материала.
• Количество стен: Предполагается, что большее количество стенок значительно повысит механическую прочность печатных деталей, обеспечивая большую структурную стабильность.

[Загрузить технический документ – Исследование влияния параметров 3D-печати на механические свойства образцов FFF.]

Результаты

В следующем разделе на диаграммах показаны различные результаты и выводы. Подробный анализ и данные можно найти в официальном документе.

Влияние на тип заполнения

Анализируя полученные данные и видя, что в зависимости от материала каждый тип заполнения влияет по-разному, можно сделать вывод, что рисунок не оказывает существенного или значимого влияния на конечные свойства изделий. Хотя это правда, что образцы для испытаний как из ABS, так и из PETG с гироидным заполнением выдают самые высокие нагрузки, разница и вариативность по сравнению с PLA не позволяют нам утверждать, что этот тип заполнения является лучшим с точки зрения улучшения механических свойств. Таким образом, предпосылка, из которой начался этот тест, ожидая лучшей производительности заполнения сетки, затем треугольной формы и, наконец, гироида, неверна.

Влияние плотности заполнения

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что предпосылка, установленная перед испытанием, была верной. Другими словами, механические свойства деталей возрастают по мере увеличения плотности. Это утверждение гораздо яснее для PLA и PETG, тогда как для ABS оно гораздо менее заметно, вплоть до отсутствия увеличения прочности на разрыв между образцами с заполнением 60% и образцами с заполнением 80%. Это может быть связано с типом полимерной структуры, которую образует каждый из материалов:PLA и PETG являются материалами с кристаллической структурой, тогда как этот состав ABS имеет более аморфную структуру. Кроме того, мы также можем сделать вывод, что увеличение плотности печатных деталей из ABS более чем на 60% не обеспечивает более высоких механических характеристик.

Влияние высоты слоя

Как и ожидалось, увеличение высоты слоя обеспечивает лучшую производительность печатных изделий. Это потому, что, как упоминалось ранее, во всем произведении меньше «слабых мест». Этими слабыми местами являются соединения каждого из напечатанных слоев, поскольку сцепление между слоями никогда не будет иметь такой же механической прочности, как сам материал.

Влияние скорости печати

После анализа данных мы пришли к выводу, что так же, как более высокая скорость печати увеличивает нестабильность экструзии материала и, следовательно, увеличивает вероятность появления дефектов в печатном изделии, что приводит к ухудшению механической стойкости, существует и нижний предел этой скорости печати. То есть неверно, что более низкая скорость печати приводит к более высокой механической стойкости. Каждый материал имеет оптимальный диапазон рабочих температур для печати. Если рабочая температура ниже этого диапазона, материал будет экструдироваться в холодном состоянии, а если температура печати выше этого диапазона, материал может деградировать, кристаллизуя свою полимерную структуру и вызывая неправильную экструзию.

Для лучшего понимания следующего вывода необходимо краткое пояснение температуры печати (рабочей температуры) материалов. Как объяснялось ранее, скорость печати влияет на экструзию нити, поскольку эта скорость представляет собой скорость, с которой нить проходит через термоблок. Это означает, что температура термоблока (температура печати) должна быть выше температуры плавления материала, поскольку она должна компенсировать дефицит теплопередачи нити. Другими словами, мы приходим к выводу, что температура печати, при которой материалы обычно экструдируются в FFF, намного выше, чем температура плавления материала. Поэтому, если скорость печати очень низкая, материал может деградировать в процессе экструзии и, следовательно, потерять свойства самого материала, в том числе механические.

Температура печати

Принимая во внимание полученные данные и предварительно проанализировав скорость печати и влияние различных параметров, таких как плотность или высота слоя, мы делаем вывод, что температура печати не способствует существенному улучшению механических свойств или, скорее, трудно установить константу, позволяющую контролировать конечный результат изготовления. То есть, как и в случае со скоростью печати, температура печати влияет на каждый материал в разной степени и не всегда легко предсказуемым образом.

В случае с PLA тенденция действительно соответствует ожиданиям, но с ABS и PETG это не так. Наиболее вероятно, что эту линию тренда определяют полимерная структура различных материалов и температура стеклования каждого материала.

Количество стен

В этом испытании нам удалось наблюдать, насколько четко каждое увеличение количества стенок увеличивает предел прочности образцов в каждом из материалов, так же, как и в испытаниях 2.2 (плотность заполнения) и 2.3 (высота слоя). В случае PETG эволюция была гораздо более четкой в ​​каждом из приращений, но это может быть связано с отклонениями от каждого из других тестов. Имеет смысл, и это ожидаемо, что каждое увеличение количества стен увеличивает прочность на разрыв таким же образом. То есть каждое увеличение стен приводит к последовательному увеличению максимальной силы на одно и то же значение. Это можно ясно наблюдать при испытании образцов PETG, где каждый раз, когда к образцам добавляется стенка, максимальная сила увеличивается на 30%. Мы берем PETG в качестве примера, потому что, увидев отклонения тестов, мы пришли к выводу, что именно он меньше всего пострадал от внешних факторов.

Чтобы прочитать всю информацию подробно, скачайте наш специализированный информационный документ, в котором рассказывается о влиянии параметров 3D-печати на механические свойства образцов FFF.

[Загрузить технический документ – Исследование влияния параметров 3D-печати на механические свойства образцов FFF.]