Impact Van FFF-printparameters Op Mechanische Sterkte Van 3D-geprinte Delen

Deze studie onderzoekt de invloed van 3D-printparameters, specifiek met de Fused Filament Fabrication (FFF)-techniek, op de mechanische eigenschappen van geproduceerde delen. De analyse omvatte het testen van 495 geprintste monsters, met variaties in sleutelparameters zoals extrusietemperatuur, printsnelheid, dichtheid, infill-geometrie, laaghogte en aantal wanden.

De BCN3D Epsilon W50 printer werd gebruikt, met veelgebruikte materialen in deze technologie: PLA, PETG en ABS. De beoordeling van mechanische sterkte werd uitgevoerd via uniaxiale trektesten, rekening houdend met de diverse parameters. Deze studie is uitgevoerd door in totaal 495 monsters te testen volgens de UNE-EN ISO 527-2 Type 1A standaard, volgens het plastic vormgeven of extrusie testmodel.

De verwachting is dat een toename in extrusietemperatuur, dichtheid en aantal wanden zal resuleren in geprinte delen met verbeterde eigenschappen. Als gevolg kan hogere printsnelheid en verminderde laaghogte potentiëel leiden tot een afname in mechanische sterkte, hoewel de precieze mate van hun impact onzeker blijft.

Hoofdhypothesen

• Infill-type: De Grid infill wordt gehypotheseerd om superieure sterkte te bieden vergeleken met Gyroid en Driehoeks-infill vanwege de interconnected grid-structuur.
• Infill-dichtheid: Hogere infill-dichtheid wordt verwacht bij te dragen aan verhoogde mechanische sterkte, aangezien meer materiaal in het deel de weerstand tegen spanning zou moeten verbeteren.
• Laaghogte: Een lagere laaghogte wordt verondersteld de mechanische sterkte nadelig te beïnvloeden door zwaktes in hechting tussen lagen.
• Printsnelheid: Verhoogde printsnelheid wordt voorspeld om leidend tot afname in deelkwaliteit door extrusie-instabiliteit en minder effectieve binding tussen lagen, potentiëel mechanische sterkte verzwakkend.
• Printtemperatuur: Een hoger temperatuurbereik wordt verwacht om binding tussen lagen te verbeteren, waardoor de mechanische sterkte van de delen toeneemt. Omgekeerd kunnen lagere temperaturen resuleren in koude extrusie met materiaalverlies.
• Aantal wanden: Een hoger aantal wanden wordt voorgesteld om de mechanische sterkte van geprintte delen significant te verhogen, wat grotere structurele stabiliteit biedt.

[Download Whitepaper – Studie naar de impact van 3D-printparameters op de mechanische eigenschappen van FFF-monsters.]

Resultaten

In de volgende sectie tonen de grafieken diverse resultaten en conclusies. Voor gedetailleerde analyse en data, raadpleeg het whitepaper.

Effect Op Infill-type

Door de verkregen data te analyseren en te zien dat, afhankelijk van het materiaal, elk infill-type anders uitpakt, kunnen we concluderen dat het patroon geen significante of relevante invloed heeft op de uiteindelijke eigenschappen van de stukken. Hoewel het waar is dat zowel ABS- als PETG-testmonsters met gyroid-infill de hoogste belasting opleverden, verhindert de verschil en variabiliteit ten opzichte van PLA ons ervan te beweren dat dit type infill het beste is in termen van mechanische eigenschapsverbetering. Daarom is de premisse waaruit deze test vertrok, die een betere prestatie van de grid-infill verwachtte, gevolgd door de driehoeks- en ten slotte de gyroid, onjuist.

Effect Van Infill-dichtheid

De resultaten geanalyseerd, kunnen we concluderen dat de voor de test gestelde premisse correct was. Met andere woorden, de mechanische eigenschappen van de stukken nemen toe in relatie tot de toename in dichtheid. Deze stelling is veel duidelijker in PLA en PETG, terwijl in ABS het veel minder opvallend is, tot het punt dat de trekkracht niet toeneemt tussen de monsters met 60% infill en die met 80%. Dit kan te wijten zijn aan het type polymere structuur dat elk van de materialen vormt, met PLA en PETG als materialen met een kristallijne structuur, terwijl deze ABS-formulering een meer amorfe structuur heeft. Bovendien kunnen we ook concluderen dat het verhogen van de dichtheid van geprintte ABS-delen boven de 60% geen grotere mechanische prestaties garandeert.

Effect Van Laaghogte

Zoals verwacht, levert de toename in laaghogte betere prestaties op voor geprintte stukken. Dit komt doordat, zoals eerder gezegd, er minder 'zwaktes' door het hele stuk zijn. Deze zwaktes zijn de verbindingen van elk van de geprintte lagen, aangezien de hechting tussen lagen nooit dezelfde mechanische sterkte zal hebben als het materiaal zelf.

Effect Van Printsnelheid

Na analyse van de data concluderen we dat net als hogere printsnelheid de instabiliteit in materiaalextrusie verhoogt en daarmee de mogelijkheid van imperfecties in het geprintte stuk vergroot, wat leidt tot slechtere mechanische weerstand, er ook een ondergrens is in deze printsnelheid. Dat wil zeggen, het is niet waar dat lagere printsnelheid resulteert in hogere mechanische weerstand. Elk materiaal heeft een optimale werktemperatuurbereik voor printen. Als de werktemperatuur onder dit bereik ligt, zal het materiaal koud geëxtrudeerd worden, terwijl als de printtemperatuur boven dit bereik ligt, het materiaal kan degraderen, de polymere structuur kristalliseren en onjuiste extrusie veroorzaken.

Voor een beter begrip van de volgende conclusie, is een korte uitleg van de printtemperatuur (werktemperatuur) van materialen nodig. Zoals eerder uitgelegd, beïnvloedt de printsnelheid de filamentextrusie omdat deze snelheid de snelheid is waarmee het filament door het warmteblok gaat. Dit impliceert dat de temperatuur van het warmteblok (printtemperatuur) hoger moet zijn dan het smeltpunttemperatuur van het materiaal, omdat het het warmteoverdrachtstekort naar het filament moet compenseren. Met andere woorden, en hiermee concluderen we dat de printtemperatuur waarop materialen doorgaans in FFF geëxtrudeerd worden, veel hoger is dan de smelttemperatuur van het materiaal. Daarom, als de printsnelheid erg laag is, kan het materiaal tijdens extrusie degraderen en daarmee eigenschappen van het materiaal zelf verliezen, inclusief mechanische eigenschappen.

Printtemperatuur

Rekening houdend met de verkregen data en de eerder geanalyseerde printsnelheid en hoe diverse parameters zoals dichtheid of laaghogte beïnvloeden, dedueren we dat de printtemperatuur niet significant helpt de mechanische eigenschappen te verbeteren of, eerder, het is moeilijk een constante te vestigen om het eindresultaat van de fabricage te controleren. Dat wil zeggen, net als met printsnelheid, beïnvloedt de printtemperatuur elk materiaal in verschillende mate en niet altijd op een gemakkelijk voorspelbare manier.

In het geval van PLA is het waar dat de trend is zoals verwacht, maar met ABS en PETG is het niet. Het is waarschijnlijk dat de polymere structuur van de verschillende materialen en de glasovergangstemperatuur van elk materiaal deze trendlijn definiëren.

Aantal Wanden

In deze test hebben we waargenomen hoe duidelijk elke toename in het aantal wanden de trekkracht van de monsters in elk van de materialen verhoogt, net als in testen 2.2 (infill-dichtheid) en 2.3 (laaghogte). In het geval van PETG is de evolutie veel duidelijker in elke van de toenames, maar dit kan te wijten zijn aan de afwijkingen van elk van de andere testen. Het is logisch en zoals verwacht, dat elke toename in het aantal wanden de trekkracht op dezelfde manier verhoogt. Dat wil zeggen, elke toename in wanden zorgt ervoor dat de maximale kracht met dezelfde waarde consistent toeneemt. Dit kan duidelijk waargenomen worden in de test van PETG-monsters, waar elke keer dat een wand aan de monsters wordt toegevoegd, de maximale kracht met 30% toeneemt. We nemen PETG als voorbeeld omdat we dedueren, na de afwijkingen van de testen te zien, dat het de minst beïnvloede is door externe agenten.

Om alle informatie in detail te lezen, aarzel niet om ons gespecialiseerd whitepaper te downloaden met de impact van 3D-printparameters op de mechanische eigenschappen van FFF-monsters.

[Download Whitepaper – Studie naar de impact van 3D-printparameters op de mechanische eigenschappen van FFF-monsters.]