Jako dostawcy elementów drukowanych w 3D często słyszymy obawy, że wytrzymałość części z druku 3D może być bardzo słaba. Jak jest w rzeczywistości?
Wytrzymałość to pojęcie dość szerokie – może dotyczyć zarówno odporności mechanicznej (ścieranie, zrywanie, rozciąganie), jak i odporności chemicznej (reaktywność z różnymi związkami, np. kwasami czy rozpuszczalnikami), czy odporności temperaturowej (temperatura mięknięcia, topnienia, czy też zapłonu)…
W dalszych sekcjach omówimy wybrane parametry z karty katalogowej materiału HP PA12 [1] stosowanego w technologii Multi Jet Fusion na przykładzie popularnie drukowanego elementu linii produkcyjnej – chwytaka do ramienia robota.
Temperatura odkształcenia
Temperatura, powyżej której następuje odkształcenie pod wpływem nacisku 0,45 MPa (1) to odpowiednio 173°C (XY) oraz 177°C (Z) (2). Natomiast pod wpływem nacisku 1,82 MPa odpowiednio 99°C (XY) oraz 105°C (Z). Co to oznacza?
Jeśli przykładowo wydrukujemy chwytaki do robota, których najmniejszy przekrój poprzeczny będzie wynosił 5,5 mm², to dopiero będziemy w stanie podnosić nimi ciężar 1 kg w temperaturze nawet 99°C, zanim nastąpi odkształcenie termiczne.
Mechaniczna wytrzymałość druku 3D
Wytrzymałość druku 3D na zrywanie
Wytrzymałość na zrywanie to pomiar, jaka siła działająca prostopadle na przekrój czynny próbki jest potrzebna, aby nastąpiło zerwanie elementu (wyobraź sobie rozciąganie wałka plasteliny w palcach aż do jej przerwania). W przypadku naszego materiału wartości te to 48 MPa zarówno XY, jak i Z (3). Co to oznacza? Wracając do naszego przykładu z chwytakiem do robota – każdy mm² przekroju jest w stanie wytrzymać nawet 4,8 kg ładunku (zakładając oddziaływanie siły prostopadle do przekroju), zanim nastąpi pęknięcie chwytaka.
Wytrzymałość druku 3D na odkształcenia
Wytrzymałość na odkształcenia różni się od poprzedniego parametru jedną, zasadniczą kwestią – siła nie jest przykładana prostopadle do przekroju czynnego, lecz równolegle (ugięcie poprzeczne belki). W naszym przypadku wynosi odpowiednio 65 MPa (XY) oraz 70 MPa (Z) (4). Co to oznacza?
Nasz przykładowy chwytak mógłby pracować w poziomie, wytrzymujące obciążenie 6,5 – 7 kg na każdy mm² przekroju (zakładając idealne warunki – podparcie na obu końcach, krótki odcinek o tak niskim przekroju…).
Wydłużenie przy zerwaniu
Wydłużenie przy zerwaniu to procentowa wartość, o ile wydłuży się element w miejscu odkształcenia, zanim nastąpi jego zerwanie. Zależnie od kształtu próbki oraz kierunku zniekształceń może wynieść 15 – 20 % (XY) oraz 12 – 15 % (Z) (5).
Odniesienie do innych materiałów
W przypadku elementów konstrukcyjnych stosowanych w maszynach przemysłowych najpopularniejsze materiały przy obróbce skrawaniem to POM (tworzywo sztuczne) oraz aluminium. Poniżej przedstawiono ich typowe parametry:
POM
Temperatura odkształcenia @ 0.45 MPa (°C): 172 [2]
Temperatura odkształcenia @ 1.80 MPa (°C): 136 [2]
Wytrzymałość na zrywanie (MPa): 69 [2]
Wydłużenie przy zerwaniu (%): 40 [2]
Aluminium 6082 (PA4)
Wytrzymałość na zrywanie (MPa): 140 – 330 [3, 4]
Wydłużenie przy zerwaniu (%): 10 [4]
W przypadku wydruków z Multi Jet Fusion wytrzymałość na zrywanie niewiele odbiega od elementów POM, tak samo, jak odporność na temperatury w przypadku małych naprężeń. Zaletą w niektórych zastosowaniach jest mniejsza elastyczność – przy podobnej sile zrywającej, POM wydłuża się znacznie bardziej.
Jeśli porównujemy elementy z MJF z elementami aluminiowymi, to wytrzymałość naszego wydruku na zerwania jest tylko trzykrotnie mniejsza niż litego aluminium w standardowych stopach – to zaskakująco dobry wynik.
Warto również zwrócić uwagę, że parametry dla osi XY oraz Z są dla technologii MJF podobne, a nawet w niektórych przypadkach takie same – oznacza to, że elementy drukowane w MJF są izotropowe – orientacja modelu nie ma większego wpływu na jego parametry mechaniczne (w odróżnieniu od np. technologii FDM).
Podane w artykule parametry związane są z drukiem na drukarce HP Multi Jet Fusion w trybie zbalansowanym.
Parametry mogą się nieznacznie różnić w przypadku druku w trybie przyspieszonym lub w trybie druku elementów o podwyższonej wytrzymałości. W celu szczegółowych informacji dotyczących Twojego detalu skontaktuj się z nami przed zamówieniem wydruku.
(1) 1 MPa = 1 N / mm².
(2) Pomiar wg standardu ASTM D648 Test Method A
(3) ASTM D638
(4) ASTM D790
(5) ASTM D638
Bibliografia:
[1] Materials Technical Fact Sheet
HP 3D High Reusability PA 12 (link)
[2] AZO Materials
[3] 6082 Aluminium Alloy
[4] Aluminium 6082-T6
http://www.matweb.com/search/datasheet_print.aspx?
matguid=fad29be6e64d4e95a241690f1f6e1eb7
Sprawdź również: druk 3d dla przemysłu
