Porównanie parametrów procesu FDM i właściwości mechanicznych materiału ABS z jego mniej toksycznym odpowiednikiem ASA

Transkrypt

1 Porównanie parametrów procesu FDM i właściwości mechanicznych materiału ABS z jego mniej toksycznym odpowiednikiem ASA Michał Olejarczyk 1, Konrad Gruber 2 Streszczenie: W artykule przedstawiono porównanie parametrów procesu przetwórstwa dla materiałów ABS i ASA z wykorzystaniem personalnego urządzenia do szybkiego prototypowania pracującego w technologii FDM. Porównano właściwości mechaniczne tych materiałów w statycznej próbie rozciągania i określono ich zmianę w zależności od ułożenia próbek na platformie. Prześledzono również mikroskopową strukturę przełomów próbek w celu określenia charakteru nakładanych włókien. Słowa kluczowe: FDM, RepRap, ASA, ABS, właściwości mechaniczne 1. Wprowadzenie Technologie przyrostowe (ang. Additive Manufacturing; AM) w ciągu ostatniej dekady znacząco rozszerzyły spektrum swoich zastosowań. Wcześniej służyły głównie prototypowaniu, dzisiaj zaliczane są do metod wytwarzania wyrobów gotowych. W porównaniu do konwencjonalnych metod wytwórczych kształtujących czy ubytkowych w AM możliwe do uzyskania stają się obiekty o rozwiniętej geometrii zewnętrznej w jednym procesie, bez konieczności wykorzystywania skomplikowanych narzędzi. Z badań przeprowadzonych przez firmę konsultingową PwC wynika, że ponad 60% firm produkcyjnych w USA wykorzystuje lub prowadzi prace nad wykorzystaniem technik AM w swoich procesach produkcyjnych [1]. W związku z tym, od kilku lat obserwuje się dynamiczny rozwój urządzeń AM, a także rynku materiałów. Jednym ze zjawisk wpływających na popularyzację technologii AM są drukarki personalne (cena zakupu do 5000$). Począwszy od roku 2004, w którym to Adrian Bowyer z Uniwersytetu w Bath (Anglia) zapoczątkował koncepcję niskobudżetowych drukarek 3D, szerzej znanych jako projekt RepRap (Replicating Rapid-prototyper), wytwarzanie przyrostowe staje się coraz bardziej dostępne. Po wygaśnięciu w 2009 części patentów firmy Sratasys Inc. efekt ten został spotęgowany. W samym roku 2013 roku dynamika rynku drukarek personalnych w porównaniu do roku poprzedniego wyniosła 104,2%, co przekłada się na ponad 72 tysiące sprzedanych urządzeń i przychód na poziomie 87,6 miliona dolarów. Co więcej, dochody ze sprzedaży tej klasy urządzeń stanowią już 9% całego sektora maszynowego AM [2]. Taki rozwój urządzeń wymusił równoległy rozwój materiałów, stosowanych głównie w procesach z grupy material extrusion FDM. Najczęściej wykorzystywaną przez personalne drukarki 3D technologią jest technologia FDM (Fused Deposition Modeling) rozwinięta i skomercjalizowana przez firmę Stratasys Inc. (U.S. Patent 5,121,329, 9 czerwca, 1992). Metoda polega na osadzaniu warstwa po warstwie topionego termoplastycznego tworzywa sztucznego, poprzez głowicę z dyszą umieszczoną na trójosiowym układzie kinematycznym sterowanym według zadanego programu. Kod sterujący jest generowany 1 Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Katedra Technologii Laserowych, Automatyzacji i Organizacji Produkcji, ul. Łukasiewicza 5, Wrocław, michal.olejarczyk@pwr.edu.pl; 2 Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Katedra Technologii Laserowych, Automatyzacji i Organizacji Produkcji, ul. Łukasiewicza 5, Wrocław, konrad.gruber@pwr.edu.pl. 98

2 na podstawie modelu CAD 3D pożądanego obiektu. Komora lub platforma robocza urządzenia FDM jest podgrzewana, w celu zmniejszenia skurczu przetwórczego oraz zwiększenia adhezji pomiędzy warstwami modelu. Modele uzyskiwane techniką FDM są najczęściej wykonane z tworzywa ABS (kopolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy), przy czym gama dostępnych materiałów jest ciągle rozszerzana [3]. Jednym z nich jest materiał ASA (terpolimer akrylonitrylu, styrenu i akrylanów). ASA to termoplast, którego budowa chemicznie jest podobna do materiału ABS. Różni się typem zastosowanego kauczuku. ASA zawiera kauczuk akrylowy na miejscu nienasyconego kauczuku butadienowego, który poprawia odporność środowiskową tego polimeru (Rys. 1). Odznacza się bardzo dobrą jakością powierzchni, stabilnością w świetle UV, czy długoterminową odpornością temperaturową (od 40 do 70 C) przy podwyższonej udarności. Te wszystkie cechy pozwalają na stosowanie ASA jako materiału konstrukcyjnego, szczególnie w aplikacjach zewnętrznych, w których wymagana jest podwyższona odporność na czynniki środowiskowe [4]. Poszukując informacji dotyczących materiału ASA i technologii AM, trudno jest dotrzeć do publikacji naukowych. Autorzy pracy dodarli do zaledwie jednej publikacji, traktującej o wytwarzanych przyrostowo nośnikach leków z materiału ASA [5]. Firma Stratasys, właściciel większości wygasłych i aktywnych patentów z technologii FDM, posiada w swojej ofercie tworzywo ASA, jednakże oferuje je jedynie dla przemysłowych systemów AM (Fortus 380mc, 480mc, 900mc) [6]. Od niedawna, ASA oferowana jest również przez dostawców materiałów do urządzeń klasy personalnej, np. firmy Dutch Filaments B.V. (Holandia) lub Parzlich s.r.o. (Czechy). Wykorzystane w badaniach tworzywo, zostało zakupione bezpośrednio od firmy Parzlich. Producenci i dystrybutorzy materiałów stosowanych w technologii FDM zwykle, choć nie zawsze, zamieszczają charakterystykę danego materiału. Najczęściej analizuje się aspekt wytrzymałości na rozciąganie. W przypadku materiału ABSplus P430 wytrzymałość ta wynosi 37 MPa przy module Younga 2320 MPa i odkształceniu 3% (próby przeprowadzone zgodne z normą ASTM D638) [6]. Z kolei dla materiału ASA tego samego producenta wytrzymałość przy zerwaniu wyniosła 29 MPa dla próbki zorientowanej na krótszym boku oraz 27 MPa dla orientacji pionowej przy module Younga 1950 MPa i odkształceniu 3% [6]. Brak tego typu danych dla pozostałych rozpatrywanych w tych artykule materiałów smartabs dostarczanych przez firmę Orbi-Tech GmbH i ASA firmy Parzlich. 2. Metodyka badań Rys. 1. Budowa monomeru terpolimeru akrylonitrylu, styrenu i akrylanów Motywacją autorów niniejszego artykułu była ocena wytwarzania elementów funkcjonalnych z tworzywa ASA z wykorzystaniem drukarki 3D klasy personalnej. Próbki badawcze do statycznej próby rozciągania wytworzono na urządzeniu Hbot3D wersja 1.1, produkowanym przez wrocławską firmę 3D Printers sp. z o.o. (geometria próbek zgodna z normą PN-EN :2004, wymiary części pomiarowej 25x5x2,5 mm). W badaniach wykorzystano oprogramowanie Cura w wersji 15.02, oferujące szerokie możliwości sterowania parametrami procesu FDM, a także oferujące wysokie odwzorowanie geometryczne wytwarzanych elementów, co wykazano w [7]. 99

3 E [MPa] Rm [MPa] εc [%] Dobór parametrów przetwarzania, dla materiału ASA, odbył się z zastosowaniem standardowej ścieżki. Wybrane parametry zaprezentowano w Tab. 1, w której to zamieszczono również parametry wytwarzania dla materiału referencyjnego smartabs. Próbki zostały wytworzone w dwóch orientacjach w stosunku do platformy roboczej urządzenia w pozycji poziomej oraz pozycji pionowej. Zgodnie z autorami pracy [8], dla technologii FDM, w pozycji poziomej winno uzyskiwać się najwyższe właściwości mechaniczne (oś rozciągania jest równoległa do warstw elementów), a w pozycji poziomej właściwości najniższe (oś rozciągania jest prostopadła do warstw elementów). Dla serii referencyjnych, jeśli nie oznaczono inaczej, prezentuje się własności mechaniczne dla pozycji poziomej. Tab. 1. Porównanie parametrów przetwórstwa dla materiałów smartabs i ASA Materiał Temp. głowicy Temp. stołu Wys. warstwy Wypełnienie Prędkość Retrakcja Chłodzenie sabs 245⁰C 100⁰C 0,2 mm 100% mm/s 42 mm/s na 1,5 mm Wentylator max % ASA 260⁰C 110⁰C 0,2 mm 100% mm/s 42 mm/s na 1,4 mm Wentylator max % ,76 29,41 29,32 32,33 33,00 30,00 13,69 ABS smartabs ABSplus ASA pion ASA poziom ASA Stratasys pion ASA Stratasys poziom ,93 2,97 1,86 1,05 5,90 3,00 9,00 a) Wytrzymałość na rozciąganie porównywanych tworzyw sztucznych - Rm [MPa] b) Wydłużenie całkowite porównywanych tworzyw sztucznych - εc [%] c) Moduł Young a porównywanych tworzyw sztucznych - E [MPa] d) Wykres naprężenie-odkształcenie dla tworzywa ASA wytwarzanego w pozycji poziomej 100

4 e) Wykres naprężenie-odkształcenie dla tworzywa ASA wytwarzanego w pozycji pionowej f) Wykres naprężenie-odkształcenie dla tworzywa smartabs wytwarzanego w pozycji poziomej Rys. 2. Wyniki statycznej próby rozciągania Statyczną próbę rozciągano przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej INSTROM Dla każdej serii pomiarowej rozciągano sześć próbek. Następnie, dla każdej z mierzonych własności, tj. wytrzymałości na rozciąganie (R m ), modułu sprężystości liniowej (E) oraz wydłużenia całkowitego przy zerwaniu (ε c ) wyznaczono średnią arytmetyczną oraz poziom ufności wartości średniej (α=0,95). Wyniki zamieszczono na wykresach słupkowych oraz w postaci wykresów naprężenie odkształcenie na Rys. 2. Na wykresach znajdują się również dane dla materiałów referencyjnych z urządzeń klasy personalnej: ABS [9], smartabs [10] oraz przemysłowych: ABSplus [10], ASA Stratasys [6]. Celem uzupełnienia wyników próby rozciągania, otrzymane przełomy zbadano z wykorzystaniem mikroskopu świetlnego Keyence VHX-600 (Rys. 3). Obrazy mikroskopowe posłużyły do jakościowego określenia stopnia łączenia się ze sobą poszczególnych warstw i ściegów nakładanego materiału. Obrazy porównano z obrazami referencyjnymi materiałów smartabs i ABSplus [10]. a) b) c) 1 cm 300 um 1 cm d) e) f) 300 um 300 um 200 um Rys. 3. Fotografie mikroskopowe przełomów próbek po rozciąganiu dla materiałów i serii badawczych: a,b) ASA pion, c,d) ASA poziom, e) smartabs, f) ABSplus 101

5 3. Dyskusja wyników W badaniach brano pod uwagę wyniki wytrzymałości na rozciąganie próbek wytworzonych na urządzeniach klasy personalnej i przemysłowej. W statycznej próbie rozciągania materiały ASA, ABS oraz ABSplus i ASA firmy Stratasys (wytwarzane w orientacji poziomej) wykazały porównywalną wytrzymałość na rozciąganie - około 30 MPa (Rys. 2a). Na uwagę zasługuje uzyskany wysoki poziom wydłużenia ASA (6% w stosunku do około 3% dla ABS), choć niższy od 9% dla ASA firmy Stratasys (Rys. 2b). Wysoką plastyczność tworzywa ASA, potwierdza wykres naprężenie-odkształcenie (Rys. 2d), na którym obserwujemy wydłużoną krzywą do zerwania (kształt krzywej po przekroczeniu tzw. granicy wymuszonej sprężystości, punktu o maksymalnej wartości na osi naprężeń). Obliczone moduły sprężystości dla poszczególnych serii pomiarowych różnią się, lecz nie wystarczająco, by wykluczyć ASA, jako zamiennik dla ABS (Rys. 2c). Jedynie smartabs, tworzywo zaprojektowane jako wytrzymalsza alternatywa dla ABS, przewyższa wytrzymałością tworzywo ASA. Jednocześnie należy zwrócić uwagę na bardzo niską wytrzymałość na rozciąganie próbek ASA wytwarzanych w orientacji pionowej. Wyniosła ona nieznacznie ponad 1/3 wartości, jak dla próbek poziomych. Na Rys. 3a-d, widać wyraźnie, że nakładane warstwy nie łączą się poprawnie, co sugeruje za niską temperaturę wytłaczania. Dla porównania przedstawiono przełomy dla materiałów ABSplus i smartabs, na których obserwuje się wyraźne połączenie pomiędzy warstwami tworzywa. Jednakże, temperatura przetwarzania ASA (260⁰C) była temperaturą maksymalną, możliwą do uzyskania w dyszy wytłaczającej. Sugeruje się modyfikacje tego układu, przed podjęciem kolejnych prób z tworzywem ASA. Tak jak już wcześniej zaznaczono, w literaturze brakuje informacji na temat badań prowadzonych dla materiału ASA w kontekście technologii przyrostowych. Żeby móc ten materiał traktować jako materiał konstrukcyjny, a otrzymane porównanie wyników z materiałem ABS tego nie wyklucza, należy rozszerzyć zakres badań. W szczególności dotyczy to określenia optymalnej temperatury przetwórstwa przy użyciu masowego wskaźnika szybkości płynięcia (MVR). W pracy [10] wykonano oznaczenie wskaźnika MVR zgodnie z normą PN-EN ISO 1133:2002, który pozwolił na określenie optymalnej temperatury wytłaczania pod kątem właściwości mechanicznych próbek wykonanych w technologii FDM. Kolejna kwestią do analizy pozostaje ocena dokładności wymiarowo-kształtowej elementów wykonywanych z tego materiału. Proponuje się użycie tomografii komputerowej, który prócz pomiaru wymiarów zewnętrznych umożliwia również badanie nieniszczące struktur wewnętrznych i zestawienie ich z modelem CAD 3D. Przykładową metodykę badań przestawiono w [7]. Materiał ASA wykazuje bardzo dobrą odporność na czynniki zewnętrzne, szczególnie UV. Dlatego sugeruje się potwierdzenie tego faktu na próbkach wykonanych w technologii FDM z wykorzystaniem komory starzeniowej. Do zastosowań na wolnym powietrzu, należy określić chłonność wilgoci przez tworzywo. Z punktu widzenia estetyki wyrobów otrzymywanych z tego materiału w tej technologii i ewentualnej obróbki wykończeniowej należałoby określić parametr chropowatości powierzchni. 4. Wnioski Wstępne wyniki badań dla materiałów ASA wykazały możliwość przetwarzania tego polimeru na urządzeniach klasy personalnej pracujących w technologii FDM. Uzyskane właściwości mechaniczne pozwalają traktować materiał ASA jako materiał konstrukcyjny, który z powodzeniem może zastąpić powszechnie stosowany materiał ABS, w szczególności w tych aplikacjach, w których wymagana jest odporność na czynniki środowiskowe. Autorzy sugerują rozszerzenie badań o takie zagadnienia, jak dokładność wymiarowo-kształtowa, odporność 102

6 na promieniowanie UV, nasiąkliwość oraz jakość powierzchni. Ponad wszystko należy wyznaczyć optymalną temperaturę przetwórczą przy użyciu współczynnika MVR. Literatura [1] Raport PwC i ZPryme, The road ahead for 3D Printers, styczeń 2014, (dostęp r.) [2] Wohlers T. T., Wohlers Report D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry. Wohlers Associates, Inc.; s [3] Gebhardt A. Understanding Additive Manufacturing. Hanser Publishers. Monachium 2011; s [4] Wypych, George. (2012). Handbook of Polymers - ABS poly(acrylonitrile-co-butadiene-costyrene) to ASA poly(acrylonitrile-co-styrene-co-acrylate). ChemTec Publishing. [5] Goyanes, A., Buanz, A. B. M., Hatton, G. B., Gaisford, S., & Basit, A. W. (2015). 3D printing of modified-release aminosalicylate (4-ASA and 5-ASA) tablets. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 89, s [6] Karta charakterystyki materiału ASA i ABSplus P430 Stratasys Inc., (dostęp r.). [7] Olejarczyk M., Gruber K., Ziółkowski G.; Przegląd dostępnego oprogramowania do sterowania ścieżką pracy głowicy dla personalnych drukarek przestrzennych. Zagadnienia aktualnie poruszane przez młodych naukowców cz.1; [8] Raut S., Jatti V. S., Khedkar N. K., Singh, T.P., Investigation of the Effect of Built Orientation on Mechanical Properties and Total Cost of FDM Parts. Procedia Materials Science 6 (2014); s [9] P. Gruber, Praca magisterska - Opracowanie prototypu głowicy do podawania dwóch różnych materiałów do wytwarzania generatywnego modeli fizycznych na urządzeniu typu RepRap, Politechnika Wrocławska, Wrocław [10] Olejarczyk M., Gruber K., Wpływ temperatury przetwórstwa na właściwości mechaniczne modeli w technologii FDM, Interdyscyplinarność badań naukowych praca zbiorowa pod red. J. Szreka. COMPARISON OF THE FDM PROCESS PARAMETERS AND MECHANICAL PROPERTIES OF ABS WITH ITS LESS TOXIC EQUIVALENT ASA Popularity of additive manufacturing is growing at a high pace. More than 60% of manufacturing companies are already using or planning to use AM technologies in their processes. A large contribution to the popularization of these techniques, owes to personal 3D printer. With low purchase price (<5000$), almost every manufacturer can afford the expense. Along with devices market, there is an increasing material suppliers market. However, material manufacturers are not willing to carry out research, enabling the use in engineering. In addition, for the recently introduced AM materials such as ASA, scientific research is also lacking. Therefore, it was decided to compare ASA to ABS, the most popular engineering polymer used in low cost 3D printing. The article presents parameters of materials processing, static stretching and macroscopic fractures investigation. On its basis, ASA material, was introduced as a promising replacement for ABS plastic. The study also identified directions for further research. 103