Wytrzymałość części z druku 3D

28 lutego 2020

Wytrzymałość części z druku 3D

 

Jako dostawcy elementów drukowanych w 3D często słyszymy obawy, że tego typu detale mogą  mieć bardzo słabą wytrzymałość. Jak jest w rzeczywistości?

Wytrzymałość to pojęcie dość szerokie – może dotyczyć zarówno odporności mechanicznej (ścieranie, zrywanie, rozciąganie), odporności chemicznej (reaktywność z różnymi związkami, np. kwasami czy rozpuszczalnikami), 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.

 

Wytrzymałość mechaniczna wydruków 3D

 

Wytrzymałość 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 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. Zalez˙nie 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]

 

Wytrzymałość na zrywanie w przypadku wydruków z Multi Jet Fusion 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 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 chociażby 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

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

https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=762

[3] 6082 Aluminium Alloy

https://en.wikipedia.org/wiki/6082_aluminium_alloy

[4] Aluminium 6082-T6

http://www.matweb.com/search/datasheet_print.aspx?

matguid=fad29be6e64d4e95a241690f1f6e1eb7