Impact van FFF-printparameters op de mechanische sterkte van 3D-geprinte onderdelen

Deze studie heeft tot doel de invloed van 3D-printparameters, met name met behulp van de Fused Filament Fabrication (FFF)-techniek, op de mechanische eigenschappen van geproduceerde onderdelen te onderzoeken. De analyse omvatte het onderzoeken van 495 afgedrukte monsters, met variaties in belangrijke parameters zoals extrusietemperatuur, printsnelheid, dichtheid, infill-geometrie, laaghoogte en het aantal wanden.

Er werd gebruik gemaakt van de BCN3D Epsilon W50-printer, waarbij gebruik werd gemaakt van veelgebruikte materialen in deze technologie:PLA, PETG en ABS. De beoordeling van de mechanische sterkte werd uitgevoerd door middel van uniaxiale trekproeven, waarbij rekening werd gehouden met de diverse parameters. Dit onderzoek is uitgevoerd door in totaal 495 exemplaren te testen volgens de UNE-EN ISO 527-2 Type 1A-norm, waarbij het model voor het testen van plastic gieten of extrusie werd gevolgd.

De verwachting is dat een toename van de extrusietemperatuur, dichtheid en het aantal wanden ertoe zal leiden dat geprinte onderdelen verbeterde eigenschappen vertonen. Als gevolg hiervan kunnen een hogere printsnelheid en een lagere laaghoogte mogelijk leiden tot een afname van de mechanische sterkte, hoewel de precieze omvang van hun impact onzeker blijft.

Belangrijkste hypothesen

• Invultype :Er wordt verondersteld dat de rasterinvulling superieure sterkte biedt in vergelijking met Gyroid- en driehoekige vullingen vanwege de onderling verbonden rasterstructuur.
• Infilldichtheid: Verwacht wordt dat een hogere vuldichtheid zal bijdragen aan een grotere mechanische sterkte, omdat meer materiaal in het onderdeel het vermogen om spanning te weerstaan zou moeten vergroten.
• Laaghoogte: Aangenomen wordt dat een lagere laaghoogte een negatieve invloed heeft op de mechanische sterkte als gevolg van zwakke hechting tussen de lagen.
• Afdruksnelheid: Er wordt voorspeld dat een verhoogde printsnelheid zal resulteren in een verminderde kwaliteit van de onderdelen als gevolg van extrusie-instabiliteit en minder effectieve hechting tussen lagen, waardoor de mechanische sterkte mogelijk wordt verzwakt.
• Afdruktemperatuur: Verwacht wordt dat een hoger temperatuurbereik de hechting tussen de lagen zal verbeteren, waardoor de mechanische sterkte van de onderdelen wordt vergroot. Omgekeerd kunnen lagere temperaturen resulteren in koude extrusie met materiaalverlies.
• Aantal muren: Er wordt gesuggereerd dat een groter aantal wanden de mechanische sterkte van geprinte onderdelen aanzienlijk vergroot, waardoor een grotere structurele stabiliteit ontstaat.

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

Resultaten

In het volgende gedeelte geven de grafieken verschillende resultaten en conclusies weer. Voor gedetailleerde analyses en gegevens kunt u de whitepaper raadplegen.

Effect op infilltype

Als we de verkregen gegevens analyseren en zien dat, afhankelijk van het materiaal, elk infill-type een ander effect heeft, kunnen we concluderen dat het patroon geen significant of relevant effect heeft op de uiteindelijke eigenschappen van de stukken. Hoewel het waar is dat zowel ABS- als PETG-testmonsters met de gyroid-vulling de hoogste belastingen opleveren, weerhouden het verschil en de variabiliteit vergeleken met PLA ons ervan te beweren dat dit type vulling het beste is in termen van het verbeteren van de mechanische eigenschappen. Daarom is het uitgangspunt van waaruit deze test begon, waarbij een betere prestatie van de rasterinvulling werd verwacht, gevolgd door de driehoekige en ten slotte de gyroïde, onjuist.

Effect van infilldichtheid

Als we de verkregen resultaten analyseren, kunnen we concluderen dat het uitgangspunt dat vóór de test was vastgesteld, juist was. Met andere woorden:de mechanische eigenschappen van de stukken nemen toe in verhouding tot de toename van de dichtheid. Deze verklaring is veel duidelijker bij PLA en PETG, terwijl deze bij ABS veel minder opvalt, tot het punt dat de treksterkte tussen de 60% infill-monsters en die met 80% niet toeneemt. Dit kan te wijten zijn aan het type polymere structuur dat elk van de materialen vormt, waarbij PLA en PETG materialen zijn met een kristallijne structuur, terwijl deze ABS-formulering een meer amorfe structuur heeft. Daarnaast kunnen we ook concluderen dat het verhogen van de dichtheid van geprinte ABS-onderdelen met meer dan 60% geen betere mechanische prestaties garandeert.

Effect van laaghoogte

Zoals verwacht zorgt de toename in laaghoogte voor betere prestaties voor gedrukte stukken. Dit komt omdat er, zoals eerder vermeld, minder ‘zwaktes’ in het stuk zitten. Deze zwakke punten zijn de verbindingen van elk van de bedrukte lagen, omdat de hechting tussen de lagen nooit dezelfde mechanische sterkte zal hebben als het materiaal zelf.

Effect van de afdruksnelheid

Na de analyse van de gegevens concluderen we dat net zoals een hogere printsnelheid de instabiliteit bij de materiaalextrusie vergroot en daardoor de kans op onvolkomenheden in het gedrukte stuk vergroot, wat leidt tot een slechtere mechanische weerstand, er ook een ondergrens is aan deze printsnelheid. Dat wil zeggen dat het niet waar is dat een lagere printsnelheid resulteert in een hogere mechanische weerstand. Elk materiaal heeft een optimaal werktemperatuurbereik voor afdrukken. Als de werktemperatuur onder dit bereik ligt, wordt het materiaal koud geëxtrudeerd, terwijl als de printtemperatuur boven dit bereik ligt, het materiaal kan degraderen, waardoor de polymere structuur kristalliseert en onjuiste extrusie ontstaat.

Voor een beter begrip van de volgende conclusie is een korte uitleg van de printtemperatuur (werktemperatuur) van materialen noodzakelijk. Zoals eerder uitgelegd heeft de printsnelheid invloed op de filamentextrusie, omdat deze snelheid de snelheid is waarmee het filament door het hitteblok gaat. Dit houdt in dat de temperatuur van het warmteblok (printtemperatuur) hoger moet zijn dan de smeltpunttemperatuur van het materiaal, omdat het het tekort aan warmteoverdracht naar het filament moet compenseren. Met andere woorden, en hiermee concluderen we dat de printtemperatuur waarbij materialen doorgaans worden geëxtrudeerd in FFF veel hoger is dan de smelttemperatuur van het materiaal. Als de printsnelheid erg laag is, kan het materiaal tijdens de extrusie degraderen en daardoor eigenschappen van het materiaal zelf verliezen, inclusief mechanische eigenschappen.

Afdruktemperatuur 

Rekening houdend met de verkregen gegevens en nadat we eerder de printsnelheid hebben geanalyseerd en hoe verschillende parameters zoals dichtheid of laaghoogte beïnvloeden, leiden we af dat de printtemperatuur de mechanische eigenschappen niet significant helpt verbeteren, of liever gezegd, dat het moeilijk is om een constante vast te stellen om het uiteindelijke resultaat van de productie. Dat wil zeggen dat, net als bij de printsnelheid, de printtemperatuur elk materiaal in een andere mate beïnvloedt en niet altijd op een gemakkelijk voorspelbare manier.

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

Aantal muren

In deze test hebben we kunnen waarnemen hoe duidelijk elke toename van het aantal wanden de treksterkte van de proefstukken in elk van de materialen verhoogt, net als in tests 2.2 (infill-dichtheid) en 2.3 (laaghoogte). In het geval van PETG is de evolutie bij elk van de stappen veel duidelijker geweest, maar dit kan te wijten zijn aan de afwijkingen van elk van de andere tests. Het is logisch, en het is zoals verwacht, dat elke toename van het aantal wanden de treksterkte op dezelfde manier vergroot. Dat wil zeggen dat elke toename van de wanden ervoor zorgt dat de maximale kracht consistent met dezelfde waarde toeneemt. Dit is duidelijk te zien in de test met PETG-monsters, waarbij elke keer dat er een muur aan de monsters wordt toegevoegd, de maximale kracht met 30% toeneemt. We nemen PETG als voorbeeld omdat we, na het zien van de afwijkingen van de tests, afleiden dat dit degene is die de minste invloed van externe factoren heeft ondergaan.

Als u alle informatie in detail wilt lezen, aarzel dan niet om ons gespecialiseerde witboek te downloaden over de impact van 3D-printparameters op de mechanische eigenschappen van FFF-monsters.

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