Влияние параметров FFF печати на механическую прочность 3D напечатанных деталей

Это исследование направлено на изучение влияния параметров 3D печати, конкретно с использованием технологии Fused Filament Fabrication (FFF), на механические характеристики произведенных деталей. Анализ включал изучение 495 напечатанных образцов с вариациями в ключевых параметрах: температуре экструзии, скорости печати, плотности, геометрии наполнения, высоты слоя и количестве стенок.

Был использован принтер BCN3D Epsilon W50, с распространенными материалами для этой технологии: PLA, PETG и ABS. Оценка механической прочности проводилась через утягивающие тесты (uniaxial tensile tests), учитывая разнообразные параметры. Это исследование проведено путем тестирования всего 495 образцов по стандарту UNE-EN ISO 527-2 Type 1A, следуя модели тестирования пластиков литья или экструзии.

Ожидается, что увеличение температуры экструзии, плотности и количества стенок приведет к деталям с улучшенными свойствами. Как следствие, более высокая скорость печати и сниженная высота слоя могут потенциально привести к снижению механической прочности, хотя точный масштаб их влияния остается неопределенным.

Основные гипотезы

• Тип наполнения (Infill Type): Гипотеза: Grid infill обеспечивает превосходную прочность по сравнению с Gyroid и Triangular infill из-за своей взаимосвязанной сеточной структуры.
• Плотность наполнения (Infill Density): Более высокая плотность наполнения ожидаемо способствует увеличению механической прочности, так как больше материала внутри детали должно улучшить ее способность выдерживать напряжение.
• Высота слоя (Layer Height): Меньшая высота слоя предполагаемо негативно влияет на механическую прочность из-за слабостей адгезии между слоями.
• Скорость печати (Print Speed): Повышенная скорость печати предсказуемо приводит к снижению качества детали из-за нестабильности экструзии и менее эффективного связывания между слоями, потенциально ослабляя механическую прочность.
• Температура печати (Print Temperature): Более высокий температурный диапазон ожидаемо улучшает связывание между слоями, тем самым повышая механическую прочность деталей. И наоборот, более низкие температуры могут привести к холодной экструзии с потерей материала.
• Количество стенок (Number of Walls): Более высокое количество стенок предполагается значительно увеличивать механическую прочность напечатанных деталей, предоставляя большую структурную стабильность.

[Скачать Whitepaper – Изучение влияния параметров 3D печати на механические свойства FFF образцов.]

Результаты

В следующем разделе графики показывают различные результаты и выводы. Для детального анализа и данных, пожалуйста, обратитесь к whitepaper.

Влияние типа наполнения

Анализируя полученные данные и видя, что в зависимости от материала каждый тип наполнения влияет по-разному, мы можем заключить, что паттерн не имеет значимого или релевантного эффекта на конечные свойства деталей. Хотя правда, что образцы ABS и PETG с gyroid наполнением дают самые высокие нагрузки, разница и вариабельность по сравнению с PLA не позволяют утверждать, что этот тип наполнения лучший в терминах улучшения механических свойств. Следовательно, исходная премоза, ожидавшая лучшую производительность grid infill, затем triangular и в последнюю очередь gyroid, неверна.

Влияние плотности наполнения

Анализируя полученные результаты, мы можем заключить, что премоза, установленная до теста, была правильной. Иными словами, механические свойства деталей увеличиваются в отношении к увеличению плотности. Это утверждение намного четче для PLA и PETG, в то время как для ABS оно намного менее заметно, до точки отсутствия увеличения tensile strength между образцами с 60% наполнением и теми с 80%. Это может быть связано с типом полимерной структуры, которую формирует каждый материал, где PLA и PETG — материалы с кристаллической структурой, в то время как эта формуляция ABS имеет более аморфную структуру. Дополнительно мы можем заключить, что увеличение плотности напечатанных ABS деталей более чем на 60% не гарантирует большую механическую производительность.

Влияние высоты слоя

Как ожидалось, увеличение высоты слоя обеспечивает лучшую производительность для напечатанных деталей. Это потому, что, как упоминалось ранее, меньше «слабостей» по всей детали. Эти слабости — стыки каждого из напечатанных слоев, так как адгезия между слоями никогда не будет иметь такую же механическую прочность, как сам материал.

Влияние скорости печати

После анализа данных мы заключаем, что точно так же как более высокая скорость печати увеличивает нестабильность экструзии материала и, следовательно, увеличивает возможность несовершенств в напечатанной детали, ведущей к худшей механической устойчивости, существует и нижний предел этой скорости печати. То есть, неверно, что более низкая скорость печати приводит к более высокой механической устойчивости. У каждого материала есть оптимальный рабочий температурный диапазон для печати. Если рабочая температура ниже этого диапазона, материал будет экструдироваться холодным, в то время как если температура печати выше этого диапазона, материал может деградировать, кристаллизуя свою полимерную структуру и вызывая некорректную экструзию.

Для лучшего понимания следующего заключения, необходимо краткое объяснение температуры печати (рабочей температуры) материалов. Как объяснено ранее, скорость печати влияет на экструзию филамента, потому что эта скорость — это скорость, с которой филамент проходит через heat block. Это подразумевает, что температура heat block (температура печати) должна быть выше температуры плавления материала, так как она должна компенсировать дефицит теплопередачи к филаменту. Другими словами, и с этим мы заключаем, что температура печати, на которой материалы типично экструдируются в FFF, намного выше температуры плавления материала. Поэтому, если скорость печати очень низка, материал может деградировать во время экструзии и, следовательно, терять свойства самого материала, включая механические свойства.

Температура печати

Учитывая полученные данные и предварительно проанализировав скорость печати и то, как различные параметры вроде плотности или высоты слоя влияют, мы заключаем, что температура печати не значительно помогает улучшить механические свойства или, скорее, трудно установить константу для контроля конечного результата производства. То есть, как и со скоростью печати, температура печати влияет на каждый материал в разной степени и не всегда легко предсказуемым образом.

В случае PLA, правда, что тренд таков, как ожидалось, но с ABS и PETG — нет. Скорее всего, полимерная структура разных материалов и температура стеклового перехода каждого материала определяют эту линию тренда.

Количество стенок

В этом тесте мы смогли наблюдать, как четко каждое увеличение количества стенок увеличивает tensile strength образцов в каждом из материалов, точно так же как в тестах 2.2 (плотность наполнения) и 2.3 (высота слоя). В случае PETG эволюция была намного четче в каждом из приращений, но это может быть связано с отклонениями каждого из других тестов. Это логично и ожидаемо, что каждое увеличение стенок увеличивает tensile strength тем же образом. То есть, каждое увеличение стенок заставляет максимальную силу увеличиваться на то же значение последовательно. Это можно четко наблюдать в тесте PETG образцов, где каждый раз при добавлении стенки к образцам максимальная сила увеличивается на 30%. Мы берем PETG как пример, потому что мы заключаем, после увидев отклонение тестов, что он был тем, кто меньше всего страдал от внешних агентов.

Чтобы прочитать всю информацию детально, не стесняйтесь скачать наш специализированный white paper с влиянием параметров 3D печати на механические свойства FFF образцов.

[Скачать Whitepaper – Изучение влияния параметров 3D печати на механические свойства FFF образцов.]