Materiály na koncové diely z 3D tlače: čo vydrží reálnu prevádzku

Pre koncový diel v prevádzke je predvolenou voľbou PETG (teplotná odolnosť 68 °C, vysoká húževnatosť), do exteriéru patrí ASA (93 °C, UV stabilné), na teplo PC Blend (až 113 °C), na oter a klz nylon (PA) a tam, kde má diel pružiť, TPU. O tom, či diel vydrží, ale nerozhoduje len materiál, rovnako dôležitá je orientácia vrstiev voči smeru záťaže a počet obvodových stien.

Tento článok je o dieloch, ktoré idú priamo do prevádzky, nie o maketách. Ak hľadáte základné porovnanie filamentov, nájdete ho v článku Aký materiál zvoliť na 3D tlač. Tu ideme o úroveň ďalej.

Čím sa koncový diel líši od prototypu

Prototyp má odpovedať na otázku „sedí to?". Koncový diel má odpovedať na otázku „vydrží to rok?". Sú to iné požiadavky a vedú k iným rozhodnutiam.

Pri prototype sa oplatí tlačiť rýchlo a lacno z PLA. Pri koncovom diele idú do hry štyri veci, ktoré sa pri prototype ignorujú:

• Prevádzková teplota vrátane špičiek, nie priemeru.
• Prostredie: slnko, dážď, oleje, čistiace prostriedky.
• Smer záťaže voči smeru vrstiev.
• Počet cyklov: diel, ktorý sa raz zaklapne, a diel, ktorý sa zaklapne tisíckrát, nie sú to isté.

Materiál podľa typu záťaže

Uvedené teplotné hodnoty sú údaje výrobcu filamentov Prusa Polymers pre konkrétne značkové materiály (PETG, ASA, PC Blend). Slúžia na porovnanie medzi materiálmi, nie ako garantovaná hodnota pre každú značku filamentu.

Teplota je najčastejšia príčina zlyhania

Diel, ktorý praskol, si všimnete. Diel, ktorý sa pomaly prehol, si všimnete až vtedy, keď prestane sedieť.

Rozhodujúce nie sú priemerné teploty, ale špičky. Vzduch v kabíne auta zaparkovaného na letnom slnku dosiahne podľa meraní zhruba 50 až 60 °C, v horších prípadoch aj viac, a v okolí motora ešte oveľa viac. Zásuvka s napájacím zdrojom sa dokáže dostať nad 50 °C. Diel z PLA so svojimi 55 °C v oboch prípadoch zlyhá, hoci na stole vydržal roky.

Praktická postupnosť: PETG (68 °C) → ASA (93 °C) → PC Blend (113 °C). Každý krok stojí viac a tlačí sa ťažšie. PC Blend má podľa výrobcu vysokú náchylnosť na krútenie a patrí do uzavretej tlačiarne. Preto ho nasadzujeme len vtedy, keď ASA naozaj nestačí.

Exteriér: UV je pomalší nepriateľ než dážď

Voda 3D tlačenému dielu z PETG či ASA veľmi neublíži. Ubližuje mu ultrafialové žiarenie, ktoré plast krehne a mení farbu.

ASA vzniklo práve na tento účel. Prusa Knowledge Base to zhŕňa vetou, že v porovnaní s ABS je „ASA odolnejší voči UV, menej sa krúti a tak nezapácha" (Prusa Knowledge Base). Diely z ABS pri dlhšom pôsobení UV žltnú a krehnú, ASA si prostredie zachová podstatne dlhšie (Prusa).

Ak potrebujete exteriérový diel v inej farbe než čiernej, počítajte s tým, že svetlé odtiene starnú viditeľnejšie. Nastriekanie UV odolným lakom životnosť predĺži bez ohľadu na materiál.

Anizotropia: prečo rovnaký diel raz vydrží a raz nie

Toto je najdôležitejšia vec, ktorú o FDM tlači treba vedieť, a v porovnaniach materiálov sa na ňu zabúda.

Diel z FDM tlače je zložený z vrstiev spojených tavením. V rovine vrstvy je pevný, v ťahu kolmo na vrstvy podstatne slabší, praská medzi vrstvami. Pri iných technológiách, napríklad SLA, sa vrstvy chemicky zosieťujú a diel je izotropný, teda rovnako pevný vo všetkých smeroch (Formlabs).

Praktický dôsledok: háčik vytlačený „naležato" unesie násobne viac než ten istý háčik vytlačený „nastojato". Pri zákazke preto potrebujeme vedieť nielen aký materiál, ale aj odkiaľ na diel pôsobí sila. Bez toho je orientácia na podložke len odhad.

Oter, klz a ozubenie: územie nylonu

Tam, kde sa dva diely o seba trú, PETG ani ASA dlho nevydržia. Nylon (PA) je pevný a mimoriadne oteruvzdorný, preto sa z neho tlačia ozubené kolesá, klzné puzdrá, kladky a vodiace prvky.

Má dve prevádzkové nevýhody, ktoré sa premietnu do ceny. Je hygroskopický, čiže z okolitého vzduchu naťahuje vlhkosť a pred tlačou sa musí sušiť, inak výtlačok stráca pevnosť aj kvalitu povrchu. A výrobcovia pre neho odporúčajú uzavretú tlačiareň (Prusa Filament Material Guide).

Nylon plnený uhlíkovými vláknami ide ešte ďalej: pre Prusament PA11 Carbon Fiber výrobca uvádza teplotnú odolnosť až 190 °C. Neplnené nylony sú odolné výrazne menej.

Kompozity plnené vláknami: čo naozaj získate

Materiály s prívlastkom „CF" (carbon fiber) alebo „GF" (glass fiber) sa predávajú ako pevnejšie. Presnejšie je povedať, že sú tuhšie, menej sa ohýbajú a menej krútia pri tlači, takže držia rozmer. Pevnosť v ťahu sa oproti neplnenému materiálu zvyšuje len mierne a húževnatosť klesá: diel skôr praskne, než sa ohne.

Kedy má zmysel siahnuť po nich:

• prípravok, ktorý musí držať rozmer pri manipulácii,
• veľký plochý diel, ktorý by sa inak skrútil,
• rám alebo konzola, kde ide o tuhosť, nie o odolnosť voči nárazu.

Kedy nie: kryt, ktorý môže spadnúť zo stola. Tam je húževnaté PETG lepšie a lacnejšie.

Počítajte aj s tým, že brúsne vlákna ničia mosadznú trysku a vyžadujú kalenú, čo sa premietne do hodinovej sadzby.

Chémia, potraviny a vlhkosť

• Oleje a mazivá: záleží na konkrétnej kvapaline a čase kontaktu. Pre PA11 Carbon Fiber uvádza výrobca odolnosť voči motorovým olejom a nafte, pri PETG, ASA a ostatných materiáloch rozhodujeme až po skúške na vzorke. PLA na takéto použitie neodporúčame.
• Čistiace prostriedky a alkohol: PETG dobre, PC Blend horšie (hrozí praskanie pri napätí).
• Trvalý styk s vodou: rozhoduje skôr tesnosť výtlačku než materiál, potrebujete viac obvodových stien, nie iný filament.
• Kontakt s potravinami: samotný filament môže byť certifikovaný, ale výtlačok z FDM má medzi vrstvami mikroskopické dutiny, v ktorých sa usadzujú baktérie. Na opakovane používaný predmet v styku s jedlom preto FDM tlač neodporúčame bez povrchovej úpravy.

Čo rozhoduje okrem materiálu

Rovnaký filament dokáže dať diel, ktorý vydrží roky, aj diel, ktorý praskne pri montáži. Rozdiel robia štyri nastavenia:

1. Počet obvodových stien (perimetrov). Pri záťaži sú dôležitejšie než výplň. Tri až päť stien je pri koncovom diele bežný základ; dve sú prototypové nastavenie.
2. Hustota a typ výplne. Podľa Prusa Knowledge Base sa väčšina modelov dá tlačiť s výplňou 10 až 15 % a nad 30 % treba siahnuť len zriedka. Lacnejšie je pridať stenu.
3. Orientácia na podložke. Určuje, kam padne najslabší smer dielu, a zároveň to, kde budú podpery a aký zostane povrch.
4. Závitové vložky. Skrutka zaskrutkovaná priamo do plastu znesie pri doťahovaní výrazne menší krútiaci moment a pri opakovanej montáži závit opotrebuje. Zalisovaná mosadzná vložka to rieši a pri dokončovacích úpravách ju vieme osadiť.

Ako materiál vyberáme my

Pri dopyte sa pýtame na štyri veci: kde diel bude, akú teplotu tam znesie, odkiaľ naň tlačí sila a koľko kusov potrebujete. Z toho vyplynie materiál aj orientácia, nie naopak.

Väčšina zákaziek na funkčné diely a náhradné diely končí na PETG, pretože pomer ceny a odolnosti je pri ňom najlepší. K ASA, nylonu alebo PC Blend siahame vtedy, keď na to existuje konkrétny dôvod, a vždy vám ho povieme.

Pri malosériovej výrobe sa oplatí vytlačiť jeden skúšobný kus a nechať ho odskúšať v reálnych podmienkach, než sa vyrobí celá séria. Napíšte nám, čo má diel zvládnuť. Materiál navrhneme my.

Pozrite aj: Materiál na 3D tlač do tepla a pod záťaž.