UTJECAJ PARAMETARA 3D TISKANJA NA SAVOJNA SVOJSTVA 3D TISKANOG PROIZVODA INFLUENCE OF 3D PRINTING PARAMETERS ON FLEXURAL PROPERTIES OF 3D PRINTED PRODUCT Damir GODEC, Lea MANDIĆ; Robert SURMA, Ana PILIPOVIĆ & Miodrag KATALENIĆ Sažetak: Neki od najvažnijih zahtjeva današnjeg tržišta su povišenje kvalitete proizvoda uz istodobno sniženje troškova, vremena razvoja i proizvodnje. Aditivna tehnologija nudi rješenja tim zahtjevima, a posljednjih nekoliko godina intenzivno se razvijaju niskobudžetni 3D pisači koji rade na načelu taložnog očvršćivanja (FDM/FFF). Obućarstvo je jedno od područja u kojem je primjena aditivnih tehnologija u začetku. Kako bi se mogle iskoristiti sve prednosti postupka 3D ispisa taložnim očvršćivanjem, potrebno je poznavati uvjete primjene 3D ispisanog proizvoda, kao i utjecaj pojedinih parametara 3D ispisa na željena svojstva takvog proizvoda. Stoga je težište u eksperimentalnom dijelu rada bilo na analizi utjecaja dvaju parametara 3D ispisa; volumena ispune i debljine vanjske konture referentnog geometrijskog oblika na savojnu čvrstoću. Abstract: Some of the most important demands of the market are rising product quality together with decreasing costs, development time and production time. Additive technology offers solutions for those demands, and within recent years, there is intensive development of low budget 3D printers working on Fused Deposition Modelling/Fused Filament Fabrication principle (FDM/FFF). Footwear industry is one of the areas where application of additive technologies is at the beginning. In order to be able to exploit all advantages of 3D printing with FDM/FFF technologies, it is necessary to know application conditions of 3D printed product, as well as the influence of 3D printing parameters on target properties of such product. Therefore, the accent in experimental part of this paper is on analysis of two 3D printing parameters; infill density and outer contour thickness of referent geometrical shape on flexural strength. Ključne riječi: taložno očvršćivanje, parametri prerade, ispuna, kontura, savojna čvrstoća. Keywords: Fused Deposition Modelling, processing parameters, infill, contour, flexural strength. 1. Uvod Aditivna tehnologija je slojevita izrada proizvoda koja se proizvodi izravno na opremi za aditivne postupke na osnovi 3D računalnog modela proizvoda. Na taj se način omogućuje proizvodnja geometrijski složenih oblika kakve nije moguće proizvesti pomoću klasičnih proizvodnih tehnologija. Primjena aditivne tehnologije omogućuje proizvodnju bez alata, što je velika prednost pri razvoju proizvoda, te u proizvodnji pojedinačnih i maloserijskih proizvoda. Tijekom 2007. godine došlo je do jedne od prekretnica na području 3D ispisa, s početkom masovnijeg razvoja, prodaje i primjene niskobudžetnih 3D pisača koji se temelje na postupku taložnog očvršćivanja (eng. Fused Deposition Modelling FDM, Fused Fillament Fabrication FFF). Time je tehnologija 3D ispisa postala dostupna široj populaciji korisnika. Razvoj aditivne tehnologije i primjenjivih materijala, s druge je strane omogućio proširivanje primjene te tehnologije na potpuno nova područja kao što su medicina, graditeljstvo, prehrambena industrija, pa tako i obućarstva, gdje se postupci 3D ispisa primjenjuju za razvoj proizvoda i/ili njegovu pojedinačnu i maloserijsku proizvodnju. Kako bi se 3D ispisom izrađivali kvalitetnih prototipovi/proizvodi, potrebno je poznavati uvjete u kojima će se oni primjenjivati, a koji definiraju njihova potrebna svojstva, te istražiti utjecaje pojedinih parametara 3D ispisa na konačna svojstva 3D ispisanog proizvoda. U radu je opisan postupak taložnog očvršćivanja te je analiziran utjecaj geometrijskih parametara 3D ispisane tvorevine; volumen ispune i debljina vanjske konture na savojnu čvrstoću referentnog geometrijskog oblika (ispitne epruvete). 2. Postupak 3D ispisa taložnim očvršćivanjem Taložno očvršćivanje je postupak pri kojem se za izradu proizvoda primjenjuje rastaljen, najčešće polimerni materijal. Uređaji za FDM/FFF rade na načelima troosnog NC obradnog centra. Kroz mlaznicu, upravljanu pomoću računala u sve tri osi, prolazi polimerni materijal u obliku žice, koji se u mlaznici zagrijava i tali (Slika 1). Materijal napušta mlaznicu u kapljevitom stanju, a pri sobnoj temperaturi vrlo brzo očvršćuje. Stoga je osnovni zahtjev FDM/FFF procesa održavanje temperature kapljevitog materijala malo iznad temperature 74
očvršćivanja. Tijekom građenja proizvoda materijal se ekstrudira i polaže na željena mjesta u vrlo finim slojevima [1, 2]. Slika 1: Postupak taložnog očvršćivanja (FDM/FFF) [1,2] Radna podloga je kod nekih 3D printera također zagrijana na određenu temperaturu prilikom cijelog postupka. Za izradu proizvoda kompliciranije geometrije može se upotrijebiti i podupor. S obzirom da je proces proizvodnje FDM/FFF postupkom slojevit, važno je izabrati pravilnu orijentaciju proizvoda tijekom izrade. To je jedna od najbitnijih aktivnosti u pripremi CAD modela za izradu ovim postupkom, jer pravilan raspored slojeva osigurava proizvod od pucanja ili delaminiranja slojeva tijekom primjene. Vrlo je važno unaprijed znati kako će se proizvod koristiti, pod kakvim će biti opterećenjima i pri kojim temperaturama će se odvijati njegova primjena [1,3]. Najčešći materijali koji se u obliku tzv. filamenta koriste pri 3D ispisu FDM/FFF postupkom su akrilonitril/butadien/stiren (ABS), polikarbonat (PC), poliamid (PA), savitljivi elastoplastomerni poliuretan (TPU) i polilaktička kiselina (PLA), no trajno se razvijaju novi materijali (npr. drvno-polimerni ili metalno-polimerni kompoziti) [1]. Slika 2 prikazuje moguću primjenu FDM/FFF postupka u obućarstvu [4]. Slika 2: Primjer primjene taložnog očvršćivanja (FDM/FFF) u obućarstvu (izrada donjišta, 3D tiskanje na platnu, izrada kopči, i dr.) [4] 3. Eksperimentalni dio U većini dosadašnjih istraživanja uglavnom se ispitivao utjecaj geometrije 3D ispisanog proizvoda i parametara 3D ispisa na rastezna svojstva. Međutim, u okviru ovog rada pretpostavlja se primjena 3D ispisanog proizvoda za dio donjišta obuće. U tom slučaju, kao cilj istraživanja postavlja se ispitivanje promatranih parametara na 75
savojna svojstva 3D ispisanog proizvoda. Promatrati će se utjecaj dva geometrijska parametra; volumena ispune i debljine vanjske konture proizvoda na savojnu čvrstoću. 3.1 Ispuna Posebnost 3D ispisa je mogućnost izrade proizvoda s rešetkastom unutrašnjošću (eng. infill) za razliku od klasične pune/kompaktne unutrašnjosti pri izradi proizvoda klasičnim postupcima proizvodnje. Rezultat je smanjenje utroška materijala pri proizvodnju, skraćivanje vremena proizvodnje, te u konačnici lakši proizvodi. S druge strane, valja biti oprezan pri određivanju volumena (gustoće) ispune kako se u slučaju premalog volumena ne bi ugrozila zahtijevana čvrstoća 3D ispisanog proizvoda. Udio volumena ispune se izražava u % tj. u omjeru unutrašnjeg volumena ispunjenog ispunom i praznog volumena (Slika 3). Slika 3: Različiti udjeli volumena ispune [5] Osim s volumenom ispune, na mehanička i druga uporabna svojstva 3D ispisanog proizvoda, moguće je utjecati i oblikom ispune. Uz rasterske, pravocrtne ispune, većina računalnih programa omogućuje primjenu i drugih oblika ispuna, kao što su šesterokutne (oblik saća), koncentrične ispune, ispune oblika Arhimedove krivulje, oblika Hilbertove krivulje itd. 3.2 Vanjska kontura Sljedeći geometrijski parametar, čiji će se utjecaj na savojnu čvrstoću promatrati je debljina (broj "slojeva") vanjskih kontura (eng. contour/outline). Vanjsku konturu predstavljaju vanjski slojevi koji zatvaraju unutrašnjost 3D ispisanog proizvoda, koja se sastoji od ispune i praznog prostora (Slika 4). Slika 4: Spoj vanjske konture i ispune (nedovoljno popunjen prostor između konture i ispune) [6] Iz slike 4 vidljivo je da je osim odgovarajuće debljine konture prilikom 3D ispisa potrebno osigurati i dobro povezivanje konture i ispune. U dosadašnjim istraživanjima, uglavnom je cilj bio istraživanje utjecaja konture na rastezna svojstva (npr. rasteznu čvrstoću) 3D ispisanog proizvoda. Kako se u ovom istraživanju želi analizirati utjecaj konture na savojno opterećeni proizvod, promatrati će se utjecaj konture na savojnu čvrstoću. 76
3.3 Pretpokus (optimiranje oblika ispune) Pretpokusom se željelo utvrditi kako različiti oblici ispune mogu utjecati na savojnu čvrstoću 3D tiskane ispitne epruvete. Za potrebe pretpokusa razvijena je ispitna epruveta dimenzija 10 x 10 x 50 mm (Slika 5) što donekle odstupa od norme "HRN_EN_ISO178: 2011: Plastics determination of flexural properties" koja propisuje debljinu ispitne epruvete od svega 4 mm, jer bi se pri takvoj maloj debljini umanjio utjecaj ispune na svojstva 3D ispisanog proizvoda. Za 3D ispis primjenjivao se 3D pisač Kloner 3D 300H, a materijal od kojeg su izrađivane ispitne epruvete bio je ABS. Slika 5: Oblik 3D ispisane ispitne epruvete [3] Kako računalni program korištenog 3D pisača nije omogućavao automatsko generiranje raznih oblika ispune, pristupilo se modeliranju ispune u CAD računalnom programu. Razvijena su tri tipa ispune: linijska, koncentrična i kružna (Slika 6), te je provedeno ispitivanje svake ispune sa ciljem utvrđivanja najčvršće ispune prilikom djelovanja savojnog opterećenja. a. b. c. Slika 6: Oblici ispuna ispitne epruvete: a - linijska, b - koncentrična, c - kružna [3] Debljina konture iznosila je 1 mm, debljina ispune 0,6 mm, volumen ispune 30 %, a ispitne epruvete su izrađivane s debljinama slojeva 0,3 mm. Ispisane ispitne epruvete ispitivane su na kidalici proizvođača Shimadzu, maksimalne sile 10 kn (Slika 7). Slika 7: Ispitivanje savojne čvrstoće tijekom pretpokusa [3] Ispitivanjem sva tri oblika ispuna (za svaki oblik su ispitivane po tri ispitne epruvete) dobivene su krivulje ovisnosti deformacije o savojnom opterećenju (Slika 8). Kako je koncentrični oblik ispune pokazao najvišu savojnu čvrstoću, taj oblik ispune je primijenjen u glavnom pokusu. 77
Slika 8: Dijagram savojno naprezanje istezanje [3] 3.4 Glavni pokus (utjecaj volumena ispune i debljine konture na savojnu čvrstoću) Tijekom glavnog pokusa, ispitivane su ispitne epruvete volumena koncentrične ispune u rasponu 40 do 60 % s debljinama kontura od 1 do 2 mm (korak 0,5 mm), a različite kombinacije dobivene su pomoću programskog paketa DesignExpert. Za potrebe ispitivanja i prikaza rezultata, primijenjen je centralno-kompozitni plan pokusa s dva promjenjiva parametra (Tablica 1). Tablica 1: Vrijednosti zadanih parametara u glavnom pokusu [3] Faktor Naziv Jedinica Donja granica Gornja granica A Volumen ispune % 40 60 B Debljina konture mm 1,00 2,00 Centralno-kompozitni plan pokusa predviđao je 11 stanja pokusa, od čega su provedena 3 ponavljanja u centru pokusa kako bi se utvrdila greška pokusa. Nakon provedenog 3D ispisa, ispitne epruvete su ispitivane na kidalici. Obradom podataka dobivena je odzivna krivulja (Slika 9), koja prostorno prikazuje ovisnost savojne čvrstoće o volumenu ispune i debljini konture. Slika 9: Ovisnost savojne čvrstoće ispitne epruvete o volumenu ispune i debljini konture [3] 78
4. Rezultati i rasprava Pri analizi ispitnih epruveta opterećenih savojnim opterećenjem, ostvaren je neočekivani rezultat da je najviša vrijednost savojne čvrstoća od 54,84 N/mm 2 postignuta pri maksimalnom volumenu ispune (60 %) i minimalnoj debljini konture (1,00 mm). Takav rezultat moguće je objasniti dominantnim utjecajem volumena ispune na savojnu čvrstoću 3D ispisanog proizvoda, dok je sama debljina konture imala bitno manji utjecaj. Stoga se povećanjem debljine konture, istodobno smanjuje apsolutni volumen ispune (smanjen je volumen unutrašnjosti ispitne epruvete) i time utječe na smanjenje savojne čvrstoće. 5. Zaključak U radu je načinjena analiza utjecaja dva geometrijska parametra 3D ispisanog proizvoda (volumen ispune i debljina konture) na savojnu čvrstoću referentne geometrije. Utvrđena je dominacija volumena ispune pred debljinom konture, uz logični trend porasta savojne čvrstoće s povećanjem volumena ispune. U daljnjim istraživanjima valja ispitati utjecaje parametara 3D pisača (npr. temperatura rastaljenog filamenta, debljina sloja) na savojna svojstva 3D ispisanog proizvoda, kao i optimirati promatrane parametre prema željenoj funkciji cilja. Literatura [1] Godec, D.; Šercer, M.: Aditivna proizvodnja, Sveučilišni udžbenik, Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje, ISBN 978-953-7738-26-6, Zagreb, (2015) [2] Gebhardt, A: Understanding Additive Manufacturing, Carl Hanser Verlag, ISBN 978-3-446-42552-1, Mu nchen, (2012) [3] Mandić, L.: Utjecaj konstrukcijskih značajki na mehanička svojstva 3D tiskane tvorevine, Diplomski rad,, Zagreb, (2017) [4] Murray, B: 'shoetopia' project makes sneakers sustainable with biodegradable footwear, 3D-printed on demand, Dostupan na: https://www.designboom.com/technology/shoetopia-project-04-21-2017/, Pristupljeno: 2017-12-17 [5] N.N.: What is the influence of infill %, layer height and infill pattern on my 3D prints? Dostupan na: http://my3dmatter.com/influence-infill-layer-height-pattern/, Pristupljeno: 2017-12-16 [6] N.N.: Print quality troubleshootig guide, Dostupan na: https://www.simplify3d.com/support/print-qualitytroubleshooting/, Pristupljeno: 2017-12-17 Zahvala Članak je dio istraživanja u okviru projekta Povišenje učinkovitosti razvoja i preradbe polimernih proizvoda, kojeg financira Ministarstvo znanosti i obrazovanja Republike Hrvatske. Autori se zahvaljuju na financiranju projekta. Autor(i): izv. prof. dr.sc. Damir GODEC Tel: +385 (0)1 6168 192 Fax: +(385) (1) 6168 291 E-mail: damir.godec@fsb.hr Lea MANDIĆ, mag. ing. mech. Tel: +385 (0)1 6168 192 Fax: +(385) (1) 6168 291 E-mail: lea.mandic1@gmail.com Robert SURMA, mag. ing. mech. Tel: +385 (0)1 6168 192 Fax: +(385) (1) 6168 291 E-mail: robert.surma@fsb.hr Doc. dr.sc. Ana PILIPOVIĆ Tel: +385 (0)1 6168 292 Fax: +(385) (1) 6168 291 E-mail: ana.pilipovic@fsb.hr Miodrag KATALENIĆ Tel: +385 (0)1 6168 192 Fax: +(385) (1) 6168 291 E-mail: miodrag.katalenic@fsb.hr 79