Kültéren, mozgásban, terhelés alatt - Filamentválasztás a valós felhasználás szerint
A 3D nyomtatásnál könnyű abba a hibába esni, hogy az alapanyagot elsősorban a nyomtathatóság, az ár vagy a megszokás alapján választjuk ki. Egy alkatrész azonban a nyomtatóasztal elhagyása után egészen más körülményekkel találkozhat. Napfény érheti, felmelegedhet, rendszeresen hajolhat, rezeghet, ütődhet vagy tartós mechanikai terhelést kaphat.
Ezért a filament kiválasztásánál érdemes először azt megvizsgálni, milyen feladatot kell majd ellátnia a kész alkatrésznek. Más tulajdonságokra van szükség egy kültéri burkolatnál, egy rugalmas tömítésnél és egy folyamatosan terhelt gépalkatrésznél.
A különböző 3D nyomtató filament típusok között jelentős különbségek vannak szilárdság, rugalmasság, hőállóság, UV-állóság és kopásállóság tekintetében. A jó választás tehát nem egyszerűen azt jelenti, hogy erős anyagot keresünk, hanem azt, hogy az adott felhasználási körülményekhez megfelelő tulajdonságokat választjuk.
Először a felhasználást határozzuk meg
Egy filament műszaki adatlapján számos érték szerepelhet, de ezek önmagukban nem mindig mondják meg, hogyan fog viselkedni a kész alkatrész.
A tervezés során érdemes végiggondolni, hogy az alkatrész beltéren vagy kültéren működik-e, érheti-e közvetlen napsugárzás, magasabb hőmérséklet vagy nedvesség, illetve milyen mechanikai hatásokra számíthatunk. Nem mindegy az sem, hogy a darabnak merevnek kell maradnia, vagy éppen rendszeresen deformálódnia kell törés nélkül.
Egy statikus dekorációs elemnél például egészen más szempontok érvényesülnek, mint egy kerékpárra szerelt konzol, egy kültéri szenzorház vagy egy rugalmas gépláb esetében.
A valós használatból kiinduló filamentválasztás csökkentheti annak kockázatát, hogy egy jól sikerült nyomat később túl gyorsan deformálódjon, eltörjön vagy elveszítse eredeti tulajdonságait.
Kültéri használat: az UV-állóság is számít
A kültéri alkatrészeket nemcsak mechanikai terhelés éri. A napsugárzás, a hőmérséklet-ingadozás, a nedvesség és az időjárási körülmények hosszú távon jelentősen befolyásolhatják egy műanyag tulajdonságait.
Ilyen környezetben az UV-állóság különösen fontos szempont. Egy kültéri használatra szánt alkatrésznek nem elég közvetlenül a nyomtatás után megfelelő szilárdságúnak lennie; az anyagnak hosszabb időn keresztül is meg kell őriznie a szükséges mechanikai és esztétikai tulajdonságokat.
Az asa filament ezért gyakori választás kültéri alkalmazásokhoz. Az ASA UV-állósága mellett jó ütésállóságot, szívósságot és hőállóságot is kínál, így többek között kültéri burkolatokhoz, tartókhoz és különféle funkcionális alkatrészekhez is alkalmas lehet.
Az ASA Plus változat egyik előnye, hogy a hagyományos ASA tulajdonságai mellett könnyebben nyomtatható. Ettől függetlenül magasabb nyomtatási hőmérsékletet igényel, és a stabil eredmény érdekében a zárt nyomtatótér használata továbbra is ajánlott.
Kültéri felhasználásnál ugyanakkor nem érdemes kizárólag az UV-állóságot vizsgálni. Ha az alkatrész például folyamatos ütéseket, erős mechanikai terhelést vagy rendszeres hajlítást kap, további szempontokat is figyelembe kell venni.
Mozgó és hajló alkatrészek: amikor a rugalmasság előny
Nem minden alkatrésznek kell merevnek lennie. Bizonyos feladatoknál éppen az a cél, hogy az anyag terhelés hatására deformálódjon, majd visszatérjen eredeti formájához.
Ilyenek lehetnek például a tömítések, csúszásgátló elemek, rugalmas csatlakozók, védőburkolatok, ütközők vagy olyan elemek, amelyek ismétlődő mozgásnak vannak kitéve.
Az ilyen alkalmazásokhoz a tpu filament sokkal jobb kiindulópont lehet, mint egy hagyományos merev műanyag. A TPU termoplasztikus poliuretán, amely rugalmassága mellett jó kopásállóságot és szívósságot kínál.
A 90 Shore A keménységű TPU például még mindig jól hajlítható, ugyanakkor elegendő tartást biztosíthat számos funkcionális alkatrésznél. A kész darab rugalmasságát ráadásul nemcsak maga az alapanyag, hanem a modell falvastagsága, geometriája és kitöltési aránya is befolyásolja.
A TPU előnye akkor válik igazán fontossá, amikor az alkatrész rendszeresen érintkezik más felületekkel, ütődést kap vagy folyamatos deformáción megy keresztül. Ilyen helyzetekben a merev anyag repedhet vagy eltörhet, miközben a megfelelően megtervezett rugalmas alkatrész képes lehet elnyelni a terhelés egy részét.
A TPU nyomtatása ugyanakkor más megközelítést igényel. A rugalmas filament nehezebben továbbítható az extruderben, ezért a közvetlen meghajtású extruder általában kedvezőbb megoldás. A megfelelő tárolás és szárítás szintén fontos, mert a TPU viszonylag gyorsan képes nedvességet felvenni.
Mechanikai terhelés: nem mindig a legmerevebb anyag a legjobb
A „nagy terhelés” kifejezés önmagában még nem elegendő a megfelelő filament kiválasztásához. A mechanikai terhelés többféle lehet.
Egy alkatrészt érhet folyamatos húzó- vagy nyomóterhelés, hirtelen ütés, rezgés, súrlódás vagy ismétlődő hajlítás. Az egyik feladathoz nagy merevségre, a másikhoz jó ütésállóságra, a harmadikhoz pedig rugalmasságra és kopásállóságra lehet szükség.
Például egy merev szerkezeti tartónál az alakstabilitás és a szilárdság lehet elsődleges, míg egy ütközőnél vagy rezgéscsillapító elemnél a túl nagy merevség kifejezetten hátrányt jelenthet.
Az ASA jó választás lehet olyan mechanikai alkatrészekhez, amelyeknél a merevség mellett hő- és UV-állóságra is szükség van. TPU akkor lehet jobb megoldás, ha az alkatrésznek ütést kell elnyelnie, hajolnia kell vagy rendszeresen súrlódó felületekkel érintkezik.
Nagyobb igénybevételnél más műszaki filamentek, például nylon, szénszállal erősített anyagok vagy polikarbonát is szóba kerülhetnek. Ezek azonban eltérő nyomtatási feltételeket, megfelelő nyomtatót és sok esetben pontosabb anyagkezelést igényelnek.
A környezet és a terhelés gyakran egyszerre jelentkezik
A valós alkalmazások ritkán sorolhatók egyetlen kategóriába. Egy kültéri dróntartó például egyszerre kaphat UV-sugárzást, rezgést és mechanikai ütéseket. Egy kerti gép alkatrésze érintkezhet vízzel, olajjal vagy zsírral, miközben folyamatos mozgásnak van kitéve. Egy járműre szerelt tartó pedig a hőmérséklet-változás mellett rezgést és tartós terhelést is kaphat.
Ezért az anyag kiválasztásakor célszerű mindig a legkritikusabb körülményt azonosítani.
Ha egy alkatrész folyamatosan napsugárzásnak van kitéve, de csak kis mechanikai terhelést kap, az UV-állóság lehet az elsődleges szempont. Ha rendszeresen hajlik és súrlódik, akkor a rugalmasság és kopásállóság kerülhet előtérbe. Ha magas hőmérsékleten kell megtartania a formáját, a hőállóság válik meghatározóvá.
A megfelelő filament gyakran kompromisszum több tulajdonság között.
A modell kialakítása legalább olyan fontos, mint az anyag
Még a megfelelő filamentből készült alkatrész is meghibásodhat, ha a modell geometriája nincs a várható terheléshez igazítva.
Az FDM nyomtatással készült alkatrészek rétegekből épülnek fel, ezért az orientáció nagy hatással lehet a kész darab mechanikai viselkedésére. Egy rosszul tájolt alkatrész a rétegek között könnyebben szétválhat, még akkor is, ha maga az alapanyag megfelelő szilárdsággal rendelkezik.
A falvastagság, a belső kitöltés, a lekerekítések és a terhelési pontok kialakítása szintén fontos. Sok esetben néhány milliméterrel vastagabb fal vagy egy éles sarok lekerekítése többet javít az alkatrész tartósságán, mint egy drágább filament használata.
Rugalmas anyagoknál a kitöltési arány és a geometria közvetlenül befolyásolja a darab merevségét. Ugyanabból a TPU-ból készíthető viszonylag puha, könnyen hajlítható alkatrész és lényegesen merevebb funkcionális elem is.
A nyomtatási körülményeket is számításba kell venni
A megfelelő anyag kiválasztása csak akkor hasznos, ha a rendelkezésre álló nyomtató képes azt megfelelő minőségben feldolgozni.
Az ASA magasabb hőmérsékleten nyomtatható, és a vetemedés csökkentése érdekében előnyös a zárt kamra. A TPU esetében ezzel szemben az extruder kialakítása és a nyomtatási sebesség lehet kritikusabb.
A fejlettebb műszaki filamentek még szigorúbb követelményeket támaszthatnak a hotenddel, a fúvókával, a nyomtatókamrával vagy az anyag szárításával kapcsolatban.
Ezért nem mindig az elméletileg legerősebb alapanyag a legjobb választás. Egy megfelelően kinyomtatott, jól megválasztott filamentből készült alkatrész megbízhatóbb lehet, mint egy fejlettebb anyagból készült, de rossz nyomtatási körülmények között előállított darab.
A filamentet a kész alkatrész feladata alapján válasszuk
A 3D nyomtatás egyik legnagyobb előnye, hogy ugyanazzal a technológiával egészen eltérő funkciójú alkatrészek készíthetők. Ehhez azonban az alapanyagot is a feladathoz kell igazítani.
Kültéri felhasználásnál az UV- és időjárásállóság, mozgó alkatrészeknél a rugalmasság és kopásállóság, mechanikai terhelésnél pedig a megfelelő szilárdság, szívósság vagy alakstabilitás kerülhet előtérbe.
Ahelyett, hogy minden projekthez ugyanazt a bevált filamentet választanánk, érdemes abból kiindulni, mi fog történni a kész alkatrésszel a használat során.
Ha ezt már a tervezés elején figyelembe vesszük, könnyebb olyan anyagot, geometriát és nyomtatási beállítást választani, amely nemcsak a nyomtatóasztalon működik jól, hanem ott is, ahol a kész alkatrésznek valóban helyt kell állnia.
