Materiály na koncové díly z 3D tisku: co vydrží reálný provoz

Pro koncový díl v provozu je výchozí volbou PETG (teplotní odolnost 68 °C, vysoká houževnatost), do exteriéru patří ASA (93 °C, UV stabilní), na teplo PC Blend (až 113 °C), na otěr a kluz nylon (PA) a tam, kde má díl pružit, TPU. O tom, jestli díl vydrží, ale nerozhoduje jen materiál, stejně důležitá je orientace vrstev vůči směru zátěže a počet obvodových stěn.

Tenhle článek je o dílech, které jdou přímo do provozu, ne o maketách. Pokud hledáte základní porovnání filamentů, najdete ho v článku Jaký materiál zvolit na 3D tisk. Tady jdeme o úroveň dál.

Čím se koncový díl liší od prototypu

Prototyp má odpovědět na otázku „sedí to?". Koncový díl má odpovědět na otázku „vydrží to rok?". Jsou to jiné požadavky a vedou k jiným rozhodnutím.

U prototypu se vyplatí tisknout rychle a levně z PLA. U koncového dílu jdou do hry čtyři věci, které se u prototypu ignorují:

• Provozní teplota včetně špiček, ne průměru.
• Prostředí: slunce, déšť, oleje, čisticí prostředky.
• Směr zátěže vůči směru vrstev.
• Počet cyklů: díl, který se jednou zaklapne, a díl, který se zaklapne tisíckrát, nejsou totéž.

Materiál podle typu zátěže

Uvedené teplotní hodnoty jsou údaje výrobce filamentů Prusa Polymers pro konkrétní značkové materiály (PETG, ASA, PC Blend). Slouží k porovnání mezi materiály, ne jako garantovaná hodnota pro každou značku filamentu.

Teplota je nejčastější příčina selhání

Dílu, který praskl, si všimnete. Dílu, který se pomalu prohnul, si všimnete až tehdy, když přestane sedět.

Rozhodující nejsou průměrné teploty, ale špičky. Auto zaparkované na letním slunci má v kabině běžně přes 60 °C, v okolí motoru ještě mnohem víc. Zásuvka s napájecím zdrojem se dokáže dostat nad 50 °C. Díl z PLA se svými 55 °C v obou případech selže, i když na stole vydržel roky.

Praktická posloupnost: PETG (68 °C) → ASA (93 °C) → PC Blend (113 °C). Každý krok stojí víc a tiskne se hůř. PC Blend má podle výrobce vysokou náchylnost ke kroucení a patří do uzavřené tiskárny. Proto ho nasazujeme jen tehdy, když ASA opravdu nestačí.

Exteriér: UV je pomalejší nepřítel než déšť

Voda 3D tištěnému dílu z PETG či ASA moc neublíží. Ubližuje mu ultrafialové záření, které plast křehne a mění barvu.

ASA vzniklo právě pro tento účel. Prusa Knowledge Base to shrnuje větou, že v porovnání s ABS je „ASA odolnější vůči UV, méně se kroutí a tak nezapáchá" (Prusa Knowledge Base). Díly z ABS při delším působení UV žloutnou a křehnou, ASA si prostředí zachová podstatně déle (Prusa).

Pokud potřebujete exteriérový díl v jiné barvě než černé, počítejte s tím, že světlé odstíny stárnou viditelněji. Nastříkání UV odolným lakem životnost prodlouží bez ohledu na materiál.

Anizotropie: proč stejný díl jednou vydrží a jednou ne

Tohle je nejdůležitější věc, kterou je o FDM tisku potřeba vědět, a v porovnáních materiálů se na ni zapomíná.

Díl z FDM tisku je složený z vrstev spojených tavením. V rovině vrstvy je pevný, v tahu kolmo na vrstvy podstatně slabší, praská mezi vrstvami. U jiných technologií, například SLA, se vrstvy chemicky zesíťují a díl je izotropní, tedy stejně pevný ve všech směrech (Formlabs).

Praktický důsledek: háček vytištěný „naležato" unese násobně víc než ten samý háček vytištěný „nastojato". U zakázky proto potřebujeme vědět nejen jaký materiál, ale i odkud na díl působí síla. Bez toho je orientace na podložce jen odhad.

Otěr, kluz a ozubení: území nylonu

Tam, kde se dva díly o sebe třou, PETG ani ASA dlouho nevydrží. Nylon (PA) je pevný a mimořádně otěruvzdorný, proto se z něj tisknou ozubená kola, kluzná pouzdra, kladky a vodicí prvky.

Má dvě provozní nevýhody, které se promítnou do ceny. Je hygroskopický, čili z okolního vzduchu nasává vlhkost a před tiskem se musí sušit, jinak výtisk ztrácí pevnost i kvalitu povrchu. A výrobci pro něj doporučují uzavřenou tiskárnu (Prusa Filament Material Guide).

Nylon plněný uhlíkovými vlákny jde ještě dál: pro Prusament PA11 Carbon Fiber výrobce uvádí teplotní odolnost až 190 °C. Neplněné nylony jsou odolné výrazně méně.

Kompozity plněné vlákny: co opravdu získáte

Materiály s přívlastkem „CF" (carbon fiber) nebo „GF" (glass fiber) se prodávají jako pevnější. Přesnější je říct, že jsou tužší, méně se ohýbají a méně kroutí při tisku, takže drží rozměr. Pevnost v tahu se oproti neplněnému materiálu zvyšuje jen mírně a houževnatost klesá: díl spíš praskne, než se ohne.

Kdy má smysl po nich sáhnout:

• přípravek, který musí držet rozměr při manipulaci,
• velký plochý díl, který by se jinak zkroutil,
• rám nebo konzola, kde jde o tuhost, ne o odolnost vůči nárazu.

Kdy ne: kryt, který může spadnout ze stolu. Tam je houževnaté PETG lepší a levnější.

Počítejte i s tím, že brusná vlákna ničí mosaznou trysku a vyžadují kalenou, což se promítne do hodinové sazby.

Chemie, potraviny a vlhkost

• Oleje a maziva: PETG a PA snášejí dobře, PLA ne.
• Čisticí prostředky a alkohol: PETG dobře, PC Blend hůř (hrozí praskání při napětí).
• Trvalý styk s vodou: rozhoduje spíš těsnost výtisku než materiál, potřebujete víc obvodových stěn, ne jiný filament.
• Kontakt s potravinami: samotný filament může být certifikovaný, ale výtisk z FDM má mezi vrstvami mikroskopické dutiny, ve kterých se usazují bakterie. Na opakovaně používaný předmět ve styku s jídlem proto FDM tisk nedoporučujeme bez povrchové úpravy.

Co rozhoduje kromě materiálu

Stejný filament dokáže dát díl, který vydrží roky, i díl, který praskne při montáži. Rozdíl dělají čtyři nastavení:

1. Počet obvodových stěn (perimetrů). Při zátěži jsou důležitější než výplň. Tři až pět stěn je u koncového dílu běžný základ; dvě jsou prototypové nastavení.
2. Hustota a typ výplně. Nad zhruba 40 % roste hmotnost a cena rychleji než pevnost. Levnější je přidat stěnu.
3. Orientace na podložce. Určuje, kam padne nejslabší směr dílu, a zároveň to, kde budou podpory a jaký zůstane povrch.
4. Závitové vložky. Šroub zašroubovaný přímo do plastu vytrhne závit po pár dotaženích. Zalisovaná mosazná vložka to řeší natrvalo a při dokončovacích úpravách ji umíme osadit.

Jak materiál vybíráme my

Při poptávce se ptáme na čtyři věci: kde díl bude, jakou teplotu tam snese, odkud na něj tlačí síla a kolik kusů potřebujete. Z toho vyplyne materiál i orientace, ne naopak.

Většina zakázek na funkční díly a náhradní díly končí na PETG, protože poměr ceny a odolnosti je u něj nejlepší. K ASA, nylonu nebo PC Blend sáhneme tehdy, když pro to existuje konkrétní důvod, a vždy vám ho řekneme.

U malosériové výroby se vyplatí vytisknout jeden zkušební kus a nechat ho vyzkoušet v reálných podmínkách, než se vyrobí celá série. Napište nám, co má díl zvládnout. Materiál navrhneme my.