Технические параметры и физические свойства пластиков для 3D-печати
В данном разделе мы расскажем об основных технических характеристиках и свойствах 3D-пластиков, которые указывают производители. Постараемся объяснить, что они обозначают.
Плотность материала
Плотность материала — это физическая величина, определяющая отношения массы материала к занимаемому объему. Единицей измерения плотности в системе СИ принята размерность кг/м3. В 3D-печати обычно обозначается как г/см3. Чем выше плотность, тем выше масса материала, а значит выше будет и масса модели. Кроме этого, при одинаковой массе нити и диаметре, больше нити будет у того полимера, плотность которого меньше.
Усадка материала. Усадка при изготовлении изделий. Термоусадка
Все эти термины означают одно – усадка полимера. Усадка означает уменьшение линейных размеров и объема материалов в следствии потери ими влаги, уплотнения, затвердевания и т.д. Это технологический показатель. Он очень важен, так как влияет на размер готовой модели. Если вы правильно учли усадку при моделировании и ввели верный коэффициент, то получите тот размер модели, который планировали. Как правило усадка больше у эластичных пластиков, чем у твердых. Например, у ABS Bestfilament термоусадка всего 0.4-0.7% при твердости по Роквеллу -110.
Твердость материала
Твердость – это свойство материала сопротивляться внедрению более твердого тела. При этом, не следует путать данный параметр с жесткостью. Определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности. Различают поверхностную, проекционную и объемную твердость. Этот показатель очень важен, так как помогает определить, подойдет ли модель для предполагаемой сферы использования.
Для измерения твердости применяется несколько методов.
Твердость по методу Роквелла
Твердость по методу Роквелла – твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания стального, твердосплавного шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HRA, HRB, HRC и т. д.; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) − h/e, где h — глубина относительного вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а e — коэффициент, равный 0,002 мм для метода Роквелла и 0,001 мм для супер Роквелла. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B — 130 единиц. Всего существует 54 шкалы измерения твердости по Роквеллу.
Метод Шора
Твердость по методу Шора – твердость по данному методу определяется способом вдавливания и способом отскока. Несмотря на их схожесть, это два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.
Способ вдавливания
В первом случае твердость определяется по глубине проникновения в материал специальной закалённой стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерительный прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твёрдых).
Способ отскока
Метод отскока — метод определения твёрдости по Шору очень твёрдых (высокомодульных) материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (основная часть склероскопа — измерительного прибора для данного метода), падающий с определённой высоты. Твёрдость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Основные шкалы C и D. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип, использованный при измерении шкалы.
Определения взяты из Википедии.
Также есть еще методы определения твердости Виккерса, Кузнецов, Польди, Бухгольца, но они практически не применяются производителями. В основном производителям применяются первые два методы. Так пластики от Filamentarno! имеют обозначение твердости по Шору, а пластики от Bestfilament по Роквеллу.
Ударная прочность по Изоду
УП по Изоду – это испытание, которое характеризует чувствительность материала к надрезу. Данные испытания стали стандартным методом для сравнения ударной прочности пластмасс. Однако, эти испытания характеризуют скорее чувствительность материала к надрезу, а не его способность выдерживать удар.
Ударной прочностью образцов с надрезом по Изоду, является энергия удара, затраченная на разрушение надрезанного образца, деленная на исходную площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Эту прочность выражают в кДж/м2. Образец вертикально зажимают в зажимах ударного копра.
Данный метод не распространяется на ячеистые материалы и слоистые структуры, содержащие ячеистые материалы. Образцы с надрезом обычно не применяют для испытания композиционных материалов или термотропных жидкокристаллических полимеров, армированных длинным волокном (ГОСТ 19109-2017 (ISO 180:2000)).
Ударная вязкость материала
УВМ – это способность пластика поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Характеризует способность материала к быстрому поглощению энергии. Она отличается от ударных нагрузок при испытании на растяжение, сжатие или изгиб гораздо более высокой скоростью выделения энергии.
Метод оценки
Обычно оценивается работа до разрушения или разрыва испытываемого образца при ударной нагрузке, отнесённой к площади его сечения в месте приложения нагрузки. Выражается в Дж/см2 или в кДж/м2. Ударную вязкость обозначают KCV, KCU, KCT. KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т).
Измерение ударной вязкости по Шарпи
Испытания на измерение ударной вязкости по Шарпи – это испытания, при которых образец, лежащий на двух опорах, подвергается удару маятникового копра, причем линия удара находится посередине между опорами и непосредственно напротив надреза у образцов с надрезом. Для металлов оценивается поглощённая энергия удара в Джоулях, а для пластмасс — ударная вязкость (энергия отнесённая к площади поперечного сечения в месте удара) в Дж/м2. Поскольку значения энергии удара для разных материалов зависят от температуры, то испытания проводят при заданных температурах.
Предел прочности
Прочность – это механическое свойство материала, с помощью которого материл сопротивляется деформации и разрушению. То есть, не разрушаясь, воспринимает те или иные воздействия (нагрузки, магнитные, температурные, ультразвуковые воздействия и ультрафиолетовое излучение).
Предел прочности – это максимальное механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала, подвергаемого деформации. Предел прочности обозначается σВ и измеряется в килограммах силы на квадратный сантиметр (кгс/см2), а также указывается в мегапаскалях (МПа).
Используют следующие механические пределы прочности:
- предел прочности при растяжении;
- предел прочности при сжатии;
- предел прочности при изгибе;
- предел прочности при кручении.
Максимальная прочность при разрыве Rm
Простыми словами максимальная прочность при разрыве – это способность пластика не разрушаться при его максимальном растяжении. Показатель рассчитывается из максимально достигнутого усилия растяжения Fm и площади поперечного сечения образца в начале испытания на растяжение:
Прочность при растяжении Rm = максимальное усилие растяжения Fm / площадь поперечного сечения S0. Прочность при растяжении указывается в МПа (мегапаскалях) или Н/мм².
Испытания
Испытания регулируются ГОСТ 11262 или ISO 527. При испытаниях используется специальное оборудование, машина, в которой фиксируется образец за два края, таким образом, чтобы база для растяжения всегда была равной. Ну а дальше аппарат растягивает образец. Определение данного параметра помогает оценить прочностные свойства 3D-пластика.
Чтобы понять принцип измерения, нужно ознакомиться еще с несколькими характеристиками, которые также получаются при данном измерении:
Максимальная нагрузка – максимальное значение нагрузки, которую требовалось приложить в ходе испытания для растяжения образца. Единица измерения: ньютоны.
Нагрузка при разрыве – значение величины нагрузки в момент разрыва образца. Единица измерения: ньютоны.
Максимальное удлинение при растяжении – разница между длиной образца в момент разрыва и длиной образца до испытаний. Единица измерения: миллиметры.
Модуль Юнга – физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению. Иначе говоря, напряжение, которое необходимо приложить для удлинения образца на единицу длины. Единица измерения: Па.
Предел текучести – механическая характеристика материала, характеризующая напряжение, при котором деформации продолжают расти без увеличения нагрузки. По сути это нагрузка, при которой в образце происходят необратимые пластические деформации.
Как правило сами по себе абсолютные цифры измерения ничего не дают. Для того, чтобы понять значение данного показателя, необходим сравнительный анализ разных материалов.
При составлении раздела мы воспользовались сайтом Bestfilament и их статьей «Испытываем на разрыв пластики от BF».
Выбор расходных материалов для 3D-печати в зависимости от целей использования
Прочность на изгиб
Прочность на изгиб – важное механическое свойство, характеризуемое пределом прочности модели при изгибе в готовом состоянии, которое дополняет основную информацию о материале, предопределяющую его назначение.
Прочность измеряется на специальном оборудовании. При этом заданными являются температура, размер модели и т.д. В России данный показатель может быть рассчитан по требованию потребителей. Но многие производители 3D-пластика рассчитывают данный показатель для своих продуктов. Например, компания eSun сделала такой расчет для пластиков eSun PLA-ST (Super Tough) и eSun ePC.
Температура размягчения по ВИКА
Температура размягчения по ВИКА – это метод определения температуры размягчения термопластов. Стандарт измерения по ISO 306:2004. Методы, установленные указанным стандартом, распространяются только на термопластичные материалы и позволяют определить температуру начала быстрого размягчения термопластов. Этот стандарт не распространяется на ячеистые пластмассы при испытании в жидкой среде и на армированные термопласты.
Сущность метода
Сущность метода заключается в том, что определяется температура, при которой стандартный индентор с плоской нижней поверхностью под действием нагрузки проникает в испытуемый образец, нагреваемый с постоянной скоростью, на глубину 1 мм. За температуру размягчения по Вика (VST) принимают температуру (°С), измеренную как можно ближе к поверхности образца, при которой индентор проникает на глубину 1 мм.
Стандартами установлены требования к измерительному прибору, индентору и процессу измерения.
Низкими показателями температуры размягчения обладают пластики на основе материала PLA. Высоким показателем размягчения обладают различные термопластики. Так, температура размягчения пластика Filamentarno! TOTAL GF-30, по заявлениям производителя, достигает 130°C
Модуль упругости при изгибе
Модуль изгиба это интенсивное свойство, которое вычисляется как отношение напряжения к деформации в изгибной деформации или тенденции материала к сопротивляться изгибу. При описании была частично использована информация с ресурса wikichi.
Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе регулируются межгосударственным стандартом ГОСТ 9550-81. Метод заключается в определении модуля упругости при изгибе как отношение приращения напряжения к соответствующему приращению относительной деформации, установленному указанным стандартом. Испытание проводят на специальном сертифицированном оборудовании, обеспечивающим равномерную скорость сближения нагружающего наконечника и опоры, соответствующую скорости деформации образца, а также точное измерение деформации образца. Обеспечивается влажность и температура при измерении, указанные производителем, измеряют размеры образцов. Результат измерения Е(изг) обозначают в мегапаскалях (МПа).
Индекс текучести расплава
Индекс или показатель текучести расплава (ПТР) представляет собой условную характеристику, которая показывает скорость течения расплавленного термопласта через капилляр определенного размера, при определенной температуре и определенном давлении. ПТР выражается в граммах полимера, выдавливаемого через капилляр в течение стандартного времени. Для измерения ПТР применяется специальные приборы – экструзионный вискозиметры. В FTP-печати этот показатель влияет на скорость печати. Особенно важно его учитывать ПТР, если вы печатаете на 3D-принтере двумя разными пластиками.
Относительное удлинение при разрыве
Относительное удлинение при разрыве характеризует изменение первоначальной длины материала при растяжении до момента разрыва. Чем больше относительное удлинение, тем пластичнее материал. Процесс измерения данного показателя у резины и термопластика регулируется ISO 37-2013.
Многие производители указывают данный показатель для эластичных flex пластиков, а также пластиков, применяемых для изготовления функциональных деталей. Так, например, пластики eSun eFlex TPU и Filamentarno! TOTAL GF-30 имеют показатели относительного удлинения при разрыве 500% и 25% соответственно.
Скорость печати
Данный показатель указывает, сколько миллиметров материала печатается за одну секунду. Показатель варьируется от 30 мм до 150 мм за 1 секунду. Чем выше данный показатель, тем быстрее будет напечатана модель, а значит тем меньше времени и энергии будет потрачено на ее печать. Это особенно важно при печати больших моделей. Данный показатель тесно связан с индексом текучести расплава и плотностью материала. Как нам кажется, последние показатели являются более объективными.
Диаметр
На рынке представлено несколько диаметров 3D-пластиков от 1,5 мм до 3 мм. Но в РФ самыми распространенными диаметрами являются 1,75 и 2,85 мм. Этот показатель необходимо учитывать при выборе пластика, так как пластик должен соответствовать диаметру внутреннего отверстия сопла. Кроме этого, выбор зависит от модели, ее размеров и слоев печати.
Цвет
Цвет не является технической или физической характеристикой, но тем не менее это важный параметр, который нужно учитывать. Кроме того, что цвет — это эстетическая характеристика, он влияет на физику печати. И связано это с тем, какие красители добавляются и их влияние на плотность и другие характеристики пластика. Ближе всего по характеристикам будут светлые цвета, темные цвета могут отличаться от заявленных характеристик. Наибольшим разнообразием цветов обладают ABS, PLA и HIPS пластики. Инженерные пластики, как правило, разнообразием цветов не отличаются.
Запах
Данную характеристику обязательно нужно учитывать тем, кто занимается 3D-печатью в качестве хобби в домашних условиях. Как правило в таких условиях трудно установить хорошую вытяжку и возникает опасность токсического отравления. Неприятными и вредными запахами могут отличаться некоторые ABS и инженерные пластики.
Заключение
В данном разделе мы попытались разъяснить пользователям наиболее часто встречающиеся характеристики 3D-пластиков. При этом, необходимо учитывать, что сами по себе многие из этих характеристик ничего не дадут пользователю. Их разумно использовать в методе сравнения, когда, выбирая материалы, вы используете сравнение одинаковых характеристик разных филаментов.