APLIKACE 3D TIŠTĚNÝCH DÍLŮ PŘI STAVBĚ BUGGY

VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA MATERIÁLOVĚ – TECHNOLOGICKÁ

KATEDRA MATERIÁLŮ A TECHNOLOGIÍ PRO AUTOMOBILY

APLIKACE 3D TIŠTĚNÝCH DÍLŮ PŘI STAVBĚ BUGGY

Application of 3D printed parts in Buggy construction

DIPLOMOVÁ PRÁCE

AUTOR PRÁCE: Bc. DOMINIK JANECZKO

VEDOUCÍ PRÁCE: Ing. MICHAL BURÁŇ

ABSTRAKT

JANECZKO, Dominik. Aplikace 3D tištěných dílů při stavbě Buggy [online]. Ostrava, 2020 [cit. 2020-06-03]. Diplomová práce. VŠB - Technická univerzita Ostrava. Vedoucí práce: Ing.

Michal Buráň.

Cílem této diplomové práce je aplikace 3D tištěných dílů při stavbě Buggy. Práce je rozdělena do dvou částí. Jedná se o část teoretickou, zabývající se popisem technologií 3D tisku, materiály a mechanickými zkouškami. Praktická část je zaměřena na konstrukční úpravy dílů před tiskem, úpravy dílů po tisku a vliv degradačních účinků na vlastnosti materiálů. Práce je zakončena výsledným zhodnocením používané technologie a materiálů a také doporučením alternativních možností.

KLÍČOVÁ SLOVA

3D tisk, FDM, PET-G, Buggy

ABSTRACT

JANECZKO, Dominik. Application of 3D printed parts in Buggy construction [online].

Ostrava, 2020 [cit. 2020-06-03]. Diploma Thesis. VŠB – Technical University of Ostrava.

Thesis head: Ing. Michal Buráň.

The main subject of this dissertation is an utilization of 3D printed components in a Buggy build. Thesis is divided into two segments. First segment is the theoretical one, which is dealing with 3D print technology description, materials and mechanical examinations. The second, practical part is focused on structural adjusting of components before actual printing, finishing already printed components and the degradation effect on certain materials. The thesis is then concluded by final evaluation of used technologies and materials, and recommendation of possible alternatives.

KEY WORDS

PODĚKOVÁNÍ

Touto cestou bych rád poděkoval svému vedoucímu panu Ing. Michalovi Buráňovi za cenné rady při psaní této práce. Dále bych rád poděkoval panu Ing. Miroslavovi Suchánkovi za jeho vstřícnost a odborný dohled při provádění tahové zkoušky. V neposlední řadě bych také rád velice poděkoval panu MgA. Petru Sehnoutkovi, DiS, kterému vděčím za rady a vstřícné připomínky, týkající se práce v programu SolidWorks a také za dohled při dokončování praktické části.

Obsah

ÚVOD ... 1

1 TEORETICKÝ ROZBOR TECHNOLOGIÍ 3D TISKU ... 2

1.1 TECHNOLOGIE 3D TISKU... 2

1.1.1 Stereolitografie (SLA) ... 4

1.1.2 Digital Light Processing (DLP) ... 5

1.1.3 Fused Deposition Modeling (FDM) / Fused Filament Fabrication (FFF) ... 7

2 MECHANICKÉ VLASTNOSTI PLASTŮ ... 8

2.1 TAHOVÁ ZKOUŠKA ... 8

2.1.1 Zkušební vzorek ... 8

2.1.2 Zkušební zařízení ... 9

2.1.3 Graf tahové zkoušky ... 10

3 VOLBA TECHNOLOGIE 3D TISKU PRO ZHOTOVENÍ DÍLŮ ... 13

3.1 PROCES TISKU TECHNOLOGIE FDM ... 13

3.2 POPIS TISKÁRNY ... 14

3.3 MATERIÁLY PRO FDM ... 16

3.4 VOLBA MATERIÁLU PRO STAVBU BUGGY ... 17

4 KONSTRUKČNÍ ÚPRAVY DÍLŮ PŘED TISKEM ... 19

4.1 POPIS BUGGY ... 19

4.2 PREPROCESSING... 20

4.3 NASTAVENÍ TISKU ... 22

4.4 TVORBA VÍKA KORBY ... 24

5 POSTPROCESSING ... 28

5.1 SKLÁDÁNÍ VÍKA ... 28

6 VLIV DEGRADAČNÍCH ÚČINKŮ NA VLASTNOSTI TIŠTĚNÝCH DÍLŮ ... 35

6.1 MATERIÁL A VZORKY ... 35

6.2 VÝSLEDKY –PET-G ... 37

6.3 VÝSLEDKY –ABS ... 42

6.4 VÝSLEDKY –CPE ... 45

7 HODNOCENÍ VÝSLEDNÉHO PRODUKTU A DOPORUČENÍ ALTERNATIVNÍCH METOD ... 50

7.1 HODNOCENÍ FDM ... 50

7.2 HODNOCENÍ PET-G ... 52

ZÁVĚR ... 55

SEZNAM ZDROJŮ A POUŽITÉ LITERATURY ... 56

SEZNAM OBRÁZKŮ ... 58

SEZNAM TABULEK ... 60

SEZNAM PŘÍLOH ... 60

SEZNAM ZKRATEK

ABS Akrylonitril butadien styren [-]

ASA Akrylonitril-styrén-akryl [-]

BJ Binder Jetting [-]

CAD Computer Aided Design [-]

CPE Copolyester [-]

DLP Digital Light Processing [-]

FDM Fused Deposition Modeling [-]

FFF Fused Filament Fabrication [-]

LENS Laser Engineered Net Shaping [-]

LMD Laser Metal Deposition [-]

LOM Laminated Object Manufacturing [-]

MJ Material Jetting [-]

PC Polykarbonát [-]

PET-G Polyethylentereftalát - glycol [-]

PP Polypropylen [-]

PVC Polyvinylchlorid [-]

SLA Stereolithography [-]

SLM Selective Laser Melting [-]

SLS Selective Laser Sintering [-]

UAM Ultrasound Additive Manufacturing [-]

SEZNAM SYMBOLŮ

A Počáteční průřez zkušebního tělesa [mm²]

b Šířka zkušebního tělesa [mm]

Et Modul pružnosti v tahu [MPa]

F Naměřená síla [N]

G – kód Souborový formát [-]

h Tloušťka zkušebního tělesa [mm]

L0 Počáteční měřená délka zkušebního tělesa [mm]

L Upínací vzdálenost mezi čelistmi [mm]

∆L0 Zvětšení počáteční délky zkušebního tělesa [mm]

Tg Teplota skelného přechodu [°C]

Tm Teplota tání krystalinitu [°C]

ε Poměrné prodloužení [%]

εb Poměrné prodloužení při přetržení [%]

εm Poměrné prodloužení na mezi pevnosti [%]

εtb Jmenovité poměrné prodloužení při přetržení [%]

εtm Jmenovité poměrné prodloužení na mezi pevnosti [%]

εy Poměrné prodloužení na mezi kluzu [%]

σ Napětí [MPa]

σb Napětí při přetržení [MPa]

σm Mez pevnosti [MPa]

σx Napětí při % prodloužení [MPa]

σy Napětí na mezi kluzu [MPa]

ÚVOD

Technologie 3D tisku je stále více využívaná v malosériové a prototypové výrobě, zvláště pak v automobilovém a leteckém průmyslu. Své hlavní výhody nachází převážně v rychlosti procesu výroby a příznivé ceně. Diplomová práce se zabývá úpravou a aplikací plastových dílů na vozidlo Buggy, které vzniklo v rámci projektu StudentCar. Práce je rozdělena do dvou části, část teoretická a část praktická.

První teoretická část se zabývá teorií, týkající se 3D tisku a jeho technologiemi.

Podrobněji se zde popisuje technologie, která byla využita při stavbě vozidla Buggy, zmiňuje se zde i informace ohledně využívaných materiálů a způsobu zkoušení jejich mechanických vlastností.

Druhá část práce je zaměřena na praktické postupy zabývající se úpravami dílů před tiskem (Preprocessing) a po tisku (Postprocessing). Celý proces od návrhu až po dokončení je demonstrován na konkrétním vybraném příkladě. Je zde také uvedena analýza týkající se vlivu degradačních účinků na vlastnosti používaného materiálu PET-G využitého na 3D tisk dílů.

Součástí analýzy je mimo jiné i srovnání vybraného materiálu PET-G s jeho dvěma vybranými konkurenty ABS a CPE.

Výsledkem této práce bude úvaha, zda je vhodné použití dané technologie a materiálu na stavbu příštích prototypových vozů.

1 TEORETICKÝ ROZBOR TECHNOLOGIÍ 3D TISKU

3D tisk je proces výroby trojrozměrných pevných objektů. Základem bývá vytvoření digitálního 3D modelu, nejčastěji v CAD softwaru. Vytvoření 3D tištěného objektu je dosaženo pomocí aditivních procesů, tedy procesů při kterých je materiál přidáván. Materiál je nanášen po tenkých a souvislých vrstvách, dokud není objekt zcela vytvořen. Na každou z těchto vrstev lze pohlížet jako na tenký plátek vodorovného průřezu objektu. Hotové výtisky pak většinou prochází drobnými úpravami za účelem doladění finálního vzhledu a zlepšení některých mechanických vlastností. [1]

Jedná se o rychlý a relativně levný výrobní proces. Proto je například vhodný k výrobě prototypů (Rapid Prototyping), využívá se tak hlavně v leteckém a automobilovém průmyslu.

Významný milník ve výrobě 3D tisku přišel v říjnu roku 2018, kdy společnost GE Aviation začala pro své letadlové motory tisknou kobalt-chromové palivové trysky. Hlavní výhodou bylo vytvoření dílu, který byl pětkrát silnější a vážil o 25% méně, než tomu bylo o původních svařovaných dílů. Své uplatnění najde 3D tisk i ve zdravotnictví, kde je využíván například na implantáty, protézy a zubní korunky. [1]

1.1 Technologie 3D tisku

Obecně lze dle normy ISO/ASTM 52900:2015 [ASTM F2792] rozdělit technologie 3D tisku do sedmi základních kategorií. A to podle způsobu zpracování materiálu při výrobě.

V první skupině je princip výroby založen na vrstvení, lepení a následném ořezávání materiálu pomocí laseru (technologie LOM a UAM). [2]

Druhým způsobem zpracování materiálu jsou například metody SLA a DLP, kdy je materiál, nejčastěji v podobě tekutého polymeru vytvrzován UV světlem, u kterého je zdroj laser (SLA) nebo digitální projektor (DLP). [2] [3]

Třetí skupinu tvoří technologie SLS a SLM. Laserový zdroj zde selektivně spojuje práškové částice vrstvu po vrstvě. [2] [3]

Čtvrtým a asi nejznámějším způsobem je například technologie FDM/FFF, kde je materiál vytlačován prostřednictvím tiskové hlavy (extruderu). [2] [3]

Pátou skupinu tvoří technologie MJ, fungující na principu selektivnímu ukládání kapiček materiálu, které jsou následně vytvrzovány. [2]

V šesté skupině je způsob zpracování materiálu pomocí tekutého pojiva, které selektivně váže oblasti práškového lože. Patří zde metoda BJ. [2] [3]

Poslední sedmou skupinu tvoří technologie, u které je využíván vysoce výkonný laser k roztavení práškového kovu. Příkladem je technologie LENS. [2]

Stručný přehled rozdělení těchto metod a příslušných materiálů, které nejčastěji využívají je zobrazen v tabulce č. 1.

TAB. č. 1 Přehled technologií [4]

Technologie Zástupci Materiály

Vat photo polymerization SLA, DLP Termosetové pryskyřice

Powder bed fusion SLS, SLM Kovy, keramika, plasty

Binder jetting BJ Kovy, keramika, plasty, sklo

Material jetting MJ Termosetové pryskyřice, vosky

Sheet lamination LOM, UAM Kovy, plasty, papír

Material extrusion FDM (FFF) Termoplasty

V následující části této kapitoly budou stručně popsány metody, které byly v čase tvorby práce dostupné.

1.1.1 Stereolitografie (SLA)

SLA je technologie, která je známá tím, že byla patentována již v roce 1986. Jedná se tedy o nejstarší technologii 3D tisku. Tato technologie využívá ultrafialového laserového paprsku, který vytvrzuje daný materiál pomocí UV záření. Využívané materiály jsou zde fotocitlivé termosetové polymery, které jsou v kapalné formě. Příklad takového materiálu je pryskyřice. [5]

Tištěný objekt se při tisku nachází v lázni polymerního materiálu a vytváří se pomocí vrstvení jednotlivých vrstev na sebe. Celá lázeň je pak umístěna na pohyblivé platformě, která vykonává pohyb v ose Z. Paprsek laseru vytvrdí vždy jednu vrstvu objektu (proces fotopolymerace) a následně se celá platforma posouvá směrem dolů (nejčastější způsob), dokud nedojde k vytvrzení všech vrstev a nevzniká tak celý díl (viz obr. č. 1). Jelikož je objekt umístěn v kapalině, musí být po každém dokončení vrstvy zajištěno ustálení hladiny. To se provádí nejčastěji pomocí lišty, která rovnoměrně projede po hladině. [5]

Obr. č. 1 Technologie SLA [6]

Výhodou této technologie je docílení velké přesnosti a složitých detailů. Díly vyrobené pomocí SLA technologie se také pyšní velmi hladkých povrchem, což nachází velké uplatnění v prototypové výrobě (vizualizace).

Mezi nevýhody patří zvýšená křehkost tištěných dílů, které také podléhají degradaci, způsobenou slunečním zářením. [5]

1.1.2 Digital Light Processing (DLP)

DLP je alternativa k technologii SLA. Princip tisku je velmi podobný, s tím rozdílem, že u DLP je namísto laseru využíván digitální projektor. Jako zdroj světla, využívá tento projektor tisíce LED diod, dosahující velikosti mikrometrů. Hlavním rozdílem oproti SLA je vytvrzování celé plochy naráz (SLA vytvrzuje pryskyřici pouze na jedno místě). U SLA metody se laser nachází nad pracovní plochou, kdyžto digitální projektor je umístěn pod ní (viz obr.

č. 2). Platforma navíc vykonává pohyb směrem nahoru. [7]

Obr. č. 2 Technologie DLP [8]

Rozdíly mezi technologiemi SLA a DLP jsou většinou závislé na požadavcích. Asi největším rozdílem je rychlost. Vzhledem k tomu, že SLA využívá laser (vytvrzuje pouze určité místo) je oproti DLP tiskárně velmi pomalá. Pro srovnání: třiceti minutový tisk u tiskárny DLP může u SLA tiskárny trvat 4 hodiny (bereme v potaz tisk stejného souboru). Dalším rozdílem je například spolehlivost. Tiskárny DLP obsahují obvykle méně pohyblivých částí, vzhledem

Obr. č. 3 SLA vs DLP [9]

1.1.3 Fused Deposition Modeling (FDM) / Fused Filament Fabrication (FFF) Dnes je již technologie FDM (někdy také označována jako FFF - Fused Filament Fabrication) nejpoužívanější a nejdostupnější technologii 3D tisku. Je to hlavně z důvodu nízké pořizovací ceny tiskárny a materiálu. Jako materiály využívá FDM termoplasty, které jsou svými vlastnostmi vhodné na prototypovou a malosériovou výrobu. Technologii FDM lze také vytvořit díl jakéhokoliv tvaru, proto své uplatnění nachází hlavně v automobilovém a leteckém průmyslu v oblasti přednávrhu nebo prototypování. Za nevýhody zde můžeme považovat rozptyl v tiskové přesnosti, nutná tvorba podpor a nutnost zvolit správnou orientaci modelu při tisku a celkový čas tisku. [10] [11]

FDM technologie je poměrně levnou, dostupnou a vhodnou technologii na výrobu prototypů. Z tohoto důvodu to tedy byla právě FDM technologie, která byla použita při stavbě Buggy. Díky možnosti použití více tiskáren najednou a ceně materiálu mohlo například dojít k různým experimentům v nastavení tisku, tisku zkušebních dílů a hledání různých kompromisů ve tvorbě modelů. V následujících kapitolách bude popsán typ tiskáren, na kterých se všechny díly tiskly, princip tisku obecně (konkrétní příklady budou uvedeny v praktické části) a používané materiály pro technologii FDM. [11]

2 MECHANICKÉ VLASTNOSTI PLASTŮ

K určení mechanických vlastností plastů slouží zkouška tahem, vycházející z normy ČSN EN ISO 527 a zkouška tříbodovým ohybem, u kterého se řídíme normou ČSN EN ISO 178. V obou případech se jedná o statické zkoušky, kdy se zatížení v průběhu namáhání zkušebního tělesa nemění. Pomocí tahové zkoušky můžeme stanovit například modul pružnosti v tahu, mez pevnosti a další tahové charakteristiky. [13]

Zkouška tříbodovým ohybem slouží ke stanovení charakteristik, jako jsou například modul pružnosti v ohybu a pevnost v ohybu. Zkušební těleso je zde ve tvaru kvádru, jehož rozměry jsou definovány příslušnou normou.

V diplomové práci byla prakticky použita zkouška tahem. Následující část kapitoly je proto zaměřena hlavně na tento typ zkoušky.

2.1 Tahová zkouška

Tahová zkouška patří mezi nejzákladnější a nejpoužívanější zkušební metody mechanických vlastností materiálů. Podstatou tahové zkoušky je protahování zkušebního tělesa ve směru své hlavní osy do okamžiku, kdy napětí nebo deformace dosáhnou předem zvolené hodnoty nebo dojde-li k porušení zkušebního tělesa. Zkušební rychlost je po celou dobu konstantní. V průběhu zkoušky se měří zatížení a prodloužení zkušebního tělesa. [13]

2.1.1 Zkušební vzorek

Proces začíná nachystáním zkušebního vzorku, který musí svými rozměry a tvary odpovídat dané normě. Nachystaný vzorek je třeba před začátkem tahové zkoušky změřit a vizuálně zkontrolovat. Zkušební vzorky nesmí být nikterak poškozeny, nesmí být pokroucené, zdeformované a jejich plochy nesmí obsahovat žádné vady, které by mohly mít vliv na výsledky zkoušky. Jedná se zejména o škrábance, odlomené části, dolíky a výrazné propadliny. Vzorky, které neplní tyto požadavky musí být vyřazeny a nahrazeny novými kusy.

Minimální počet zkušebních vzorků je pět pro danou sadu. Pokud chceme dosáhnout přesnějších výsledků je dobré tento počet navýšit. Tvar vzorku je patrný z obrázku č. 5, popis jednotlivých rozměrů je pak uveden v tabulce č. 2. [13]

TAB. č. 2 Popis zkušebního vzorku

Obr. č. 5 Vzorek [14]

2.1.2 Zkušební zařízení

Obecně musí zkušební stroj odpovídat normám ČSN EN ISO 7500-1 a ČSN EN ISO 9513. Při zkoušení plastů by také měl vyhovovat podmínkám normy ISO 5893. Dále pak musí plnit dílčí požadavky týkající se například zkušební rychlosti, upínacích čelistí, indikátoru síly, indikátoru poměrného prodloužení a záznamu hodnot (podrobnější informace obsahuje norma ČSN EN ISO 527-1). Před začátkem každé tahové zkoušky musí být zařízení zkalibrováno a nastaveno na daný typ materiálu a vzorku. Vzorek se do čelistí stroje upíná způsobem, kdy je jeho podélná osa shodná s osou zatěžování, přičemž musí být dostatečně upevněn tak, aby nedošlo k vyklouznutí nebo posunutí. Před zahájením samotné zkoušky je nutno zajistit správné nastavení napnutí zkušebního tělesa a přítlačné síly čelistí na zkušební vzorek. [13]

L0 počáteční měřená délka (mm)

L upínací vzdálenost mezi čelistmi (mm) b šířka (mm)

h tloušťka (mm)

2.1.3 Graf tahové zkoušky

Na obrázku č. 6 lze vidět různé typy křivek, závisející především na vnitřní struktuře a stupni krystalinity materiálu. Níže je uveden popis jednotlivých křivek a v tabulce č. 3 pak popis jednotlivých koeficientů.

Obr. č. 6 Graf tahové zkoušky [13]

Osa X představuje poměrné prodloužení nebo také jmenovité poměrné prodloužení. Osa Y znázorňuje napětí. [13]

Číslem 1 je označena křivka, typická pro křehké polymery (reaktoplasty, amorfní termoplasty). Materiál zde vykazuje porušení bez meze kluzu při nízkých poměrných prodlouženích. [13]

Křivky 2, 3 jsou typické pro termoplasty. Materiály zde mají mez kluzu s rostoucím napětím (křivka 2) a bez rostoucího napětí (křivka 3). [13]

Křivka 4 představuje houževnatý polymer (například pryž), vykazující porušení při vyšších poměrných prodlouženích (nad 50 %). [13]

TAB. č. 3 Popis grafu [13]

σ Napětí (MPa) ε Poměrné prodloužení (%)

σy Napětí na mezi kluzu (MPa) εy Poměrné prodloužení na mezi kluzu (%)

σm Mez pevnosti (MPa) εm Poměrné prodloužení na mezi pevnosti (%) σx Napětí při % prodloužení (MPa) εtb Jmenovité poměrné prodloužení při přetržení (%)

σb Napětí při přetržení (MPa) εb Poměrné prodloužení při přetržení (%)

εtm Jmenovité poměrné prodloužení na mezi pevnosti (%)

Vyjádření výsledků tahové zkoušky

Napětí 𝜎 =𝐹

𝐴

(1)

σ – napětí (MPa) F – naměřená síla (N)

A – počáteční průřez zkušebního tělesa (mm²)

Poměrné prodloužení ε =∆𝐿₀

𝐿₀

(2)

ε – poměrné prodloužení

L0 – měřená délka zkušebního tělesa (mm)

∆L0 – zvětšení počáteční délky zkušebního tělesa (mm)

Modul pružnosti (sečna křivky napětí/pom. prodloužení) E_t =σ₂− σ₁

ε₂− ε₁ (3)

Et – modul pružnosti v tahu (MPa)

σ1 – napětí, naměřené při hodnotě poměrného prodloužení ε1 = 0,0005 (0,05 %) σ2 – napětí, naměřené při hodnotě poměrného prodloužení ε2 = 0,0025 (0,25 %)

3 VOLBA TECHNOLOGIE 3D TISKU PRO ZHOTOVENÍ DÍLŮ

Pro tisk všech dílů byla použita metoda FDM. Tato technologie nese hned řadu výhod, které při stavbě prototypu hrají nezbytnou roli.

Tato kapitola slouží k seznámení se s FDM technologií, procesem tisku a využívanými materiály.

3.1 Proces tisku technologie FDM

Celý proces začíná u 3D modelu. Ten je nutné nejprve vytvořit, a to v příslušném modelovacím programu (SolidWorks, Autodesk Inventor, Catia atd.). Model lze získat také za pomocí 3D skeneru. Po dokončení se model vyexportuje do příslušného formátu. Mezi nejpoužívanější patří formát STL. Tento formát je určen pro slicery, umí uchovávat informace o vlastnostech, geometrii a tiskovém nastavení modelu. [11] [15]

Nyní na řadu přichází příprava modelu pro tisk. Pro tento účel slouží tzv. slicery, což jsou programy, jejíchž účelem je daný model “rozřezat” na stovky tenkých vrstev. Další nutností je nastavení různých tiskových parametrů, jako například materiál, teplota tavení, množství výplně, tloušťka vrstvy, perimetr tisku, rychlost a tak dále. Jakmile je nastavení hotové, následuje export do souboru G- kód. Tento soubor obsahuje řadu informací a instrukcí pro 3D tiskárnu. [11] [15]

Po vytvoření G- kódu můžeme přejít k tisku. Nejprve je potřeba nastavit tiskárnu a vytvořit podmínky pro úspěšný tisk. Plocha tiskárny musí být pečlivě zbavená všech nečistot, aby nedošlo ke komplikaci tisku. Tato plocha musí pak být nahřáta na příslušnou teplotu (nastavení teploty se odvíjí od používaného materiálu), aby došlo k efektivnějšímu tisku.

Tiskárna pak zkontroluje topení podložky, trysky a všechny tři osy (X, Y, Z). [11] [16]

Po self testu by měla být tiskárna zkalibrována. V dnešní době je většina tiskáren vybavena automatickou kalibrací všech os a sond. Po kalibraci tiskárny může nastat samotný

komplikovaná a vzniká tak mnoho podpůrných konstrukcí (podpor) nebo v případech, kdy nejsme spokojeni s finální podobou vytištěného dílu. Více o postprocessingu v kapitole 5 – Postprocessing

Obr. č. 7 Kompletní tvorba dílu [10]

3.2 Popis tiskárny

Tisk všech dílů probíhal na třech tiskárnách značky Prusa MK3. Tyto tiskárny se osvědčily jako skvělá volba pro tisk technologii FDM. Celkový tiskový objem má rozměry 25x 21 x 21 cm. Tiskárna je vybavena vyhřívanou podložkou, na kterou lze pomocí magnetu uchytit speciální ocelové pláty s PEI povrchem, které usnadňují proces tisku. Tisk probíhá svižně (až 200 mm/s) a díky kvalitním ventilátorům i tiše. Tiskárna je vybavena mnoha senzory a sondami a proto dokáže detekovat okolní teplotu, správnost sestavení rámu tiskárny (zda-li je pravoúhlý), odskočení motoru (při kolizi s výtiskem), výpadek proudu a různé problémy s extruderem a filamentem. [17]

Obr. č. 8 Prusa i3 MK3 [18]

Více informací o tiskárně je uvedeno v příloze A, v tabulce č. 4. lze vidět základní přehled.

TAB. č. 4 Popis tiskárny [17]

Pracovní prostor 25 x 21 x 21 cm

Výška vrstvy 0.05 – 0.35 mm

Maximální teploty: hotend / heatbed 300 °C / 120 °C

Počet extruderů 1

Tiskový povrch Vyhřívaná magnetická podložka / vyměnitelný ocelový tiskový plát s PEI Maximální rychlost posuvu 200 mm/s

Senzory 4 termistory, senzor větráků, senzor

filamentu, senzor extruderu

Kalibrace Automatická

Podporované materiály Všechny termoplasty

3.3 Materiály pro FDM

Jak zde již bylo dříve zmíněno, technologie FDM pracuje s termoplasty. Termoplasty jsou podskupinou plastů a jsou to materiály, které lze po zahřátí tvářet. Obsahují lineární, prostorové a rozvětvené makromolekuly. Při zahřívání v nich neprobíhá žádná chemická reakce, jejich chemická struktura proto při následném zpracování zůstává stejná. Tyto plasty začínají měknou při teplotě přibližně od 40 °C do 140 °C. Zahřátím nad teplotu tavení (od cca 190 °C, podle druhu plastu) přechází do oblasti taveniny. Po ochlazení opět ztuhnou, aniž by došlo ke změně jejich vlastností. Oproti reaktoplastům lze tento proces měknutí a tuhnutí opakovat vícekrát po sobě (teoreticky do nekonečna). Termoplasty lze tvarovat například tažením, lisováním a ohýbáním Většina výrobců dodává termoplasty ve formě prášku, vláken, granulí nebo celých bloků. V 3D tisku se termoplast vyskytuje ve formě tzv. filamentu (drátu).

Tento filament je namotán na cívce, ze které je při tisku odvíjen. V tiskové hlavě pak zahřátím na požadovanou teplotu mění své skupenství. [19]

Termoplasty lze vzhledem k jejich struktuře rozdělit do dvou skupin. Amorfní termoplasty, což jsou termoplasty jejichž strukturní řetězce jsou nepravidelně uspořádány. Mezi jejich charakteristické vlastnosti patří křehkost, tvrdost, modul pružnosti a vysoká pevnost.

Použitelnost výrobků je v oblasti do teploty skelného přechodu (Tg). Typickými zástupci jsou například ABS, ASA, PC a PVC. [20]

Druhou skupinou jsou semikrystalické termoplasty, u kterých jsou části řetězců těsně a pravidelně uspořádané (zbytek je pak amorfního typu). Podíl uspořádanosti řetězců v amorfní oblasti se nazývá krystalinita. Jejich využitelnost je mezi teplotami Tg (teplota skelného přechodu) a Tm (teplota tání krystalitů). Vyznačují se dobrou houževností, pevností a se stupněm krystalinity roste i jejich modul pružnosti. Do této skupiny patří například PET, PP a PE. [20]

Obr. č. 9 Struktury termoplastů [21]

3.4 Volba materiálu pro stavbu Buggy

Na tvorbě dílů na Buggy se převážně využil materiál PET-G. PET-G (Polyethylentereftalát - glycol) je materiál (polyester), pyšnící se svou vysokou pevností, tvrdostí a chemické odolnosti. Je také vhodný pro použití tam, kde by se jiné termoplasty jako například PLA nebo ABS deformovaly. Jeho nízké smrštění způsobuje, že vzniklé výtisky jsou méně náchylné k deformaci. Obecně nachází PET-G širokou škálu využití, nejvíce v prototypové výrobě. Každý zcela jistě zná PET láhve a blistrové obaly, využívá se také ve zdravotnictví (lékařské vybavení) a sportovních potřebách. Co se týče 3D tisku, filamenty PET- G materiálu jsou příznivé i svou cenou. V porovnání s ostatními filamenty patří k těm cenově nejdostupnějším. Tisk materiálu PET-G může být pro začátečníky náročný, při tisku tohoto materiálu musí být teplota v trysce nastavena na cca 210–240 ºC (záleží na konkrétním typu filamentu). Teplota podložky pak obvykle bývá okolo 60–80 ºC. [3] [22]

ABS (akrylonitril-butadien-styren) je jeden z nejpoužívanějších termoplastů pro 3D tisk. Jedná se o první plast, který byl na 3D tisk využit. Své popularity dosáhl hlavně svou příznivou cenou a dobrým mechanickým vlastnostem. Díky své odolnosti a houževnosti našel uplatnění v tisku trvanlivých dílů. Vydrží také vyšší teploty a je také například vhodný pro díly s venkovním využitím. Samotný tisk tohoto materiálu vyžaduje možnost otevřeného prostoru z důvodu tvorby štiplavého zápachu při tisku. Nastavení teploty tiskové podložky je pak okolo 95–110 °C a nastavení teploty trysky 220–250 °C. Další velkou nevýhodou je tendence smršťování při tisku, což vede k rozměrovým nepřesnostem na dílech. [23]

CPE (ko-polyester) je materiál, vhodný pro stavbu prototypových modelů. Je odolný a houževnatý. Díky své teplotní odolnosti vydrží díly až do teplot 70 °C (díly jsou tedy vhodné i pro venkovní využití). Oproti ABS nevykazuje při tisku žádný nepříjemný zápach a netrpí tendencemi se smršťovat. Je také 100% recyklovatelný a velmi šetrný k životnímu prostředí.

Pyšní se také svou vynikající přilnavostí jednotlivých vrstev při tisku. Nastavení teplot při tisku je zhruba 255–275 °C pro trysku a 70–80 °C pro podložku. [24]

4 KONSTRUKČNÍ ÚPRAVY DÍLŮ PŘED TISKEM

Tato kapitola je věnována stručnému popisu vozidla, kterým se tato práce zabývá. Bude zde také popis návrhu a úprav jednotlivých dílů, upravovaných v programu SolidWorks.

Na počátku celého procesu bylo nutné vytvoření návrhu samotného dílu. Díl musel být navržen tak, aby vyhovoval jak po stránce designové, tak po stránce technické. V tomto kroku bylo nezbytné vyřešit hned několik věcí. Například jakým způsobem bude díl namontován (snaha o co nejsnazší montáž), kde bude uchycen a zdali je tato montáž proveditelná a neomezuje jakýmkoliv způsobem ostatní prvky. Řešila se zde také složitost dílu. Jelikož se jedná o 3D tisk, musel být díl navržen tak, aby jeho výroba zbytečně nekomplikovala chod celého procesu tisku. V neposlední řadě se musel vyřešit také finální vzhled dílu, který v návrhu hraje důležitou roli.

4.1 Popis Buggy

V této podkapitole bych se rád věnoval základnímu popisu vozidla, kterého se tato diplomová práce týká. Jedná se o terénní, lehkou Buggy s pohonem 4x4, vybavenou čtyřmi elektromotory. Vozidlo bylo vyvinuto pro edukační účely ve spolupráci s firmou Škoda AUTO.

Jednou ze zvláštností na tomto voze je to, že většina plastových dílů je vytvořena pomocí 3D tisku, což je také téma této práce. Na obrázku č. 10 je zobrazen rám lehké Buggy s modře vyznačenými díly, které mají být vyrobeny technologií 3D tisku.

Obr. č. 10 3D díly na voze

Na obrázku č. 10 můžeme pozorovat, že se jedná jak o interierové díly (palubní deska, prvky palubní desky, korba), tak o exteriérové díly (blatníky, housingy světlometů a kufrové víko). Ve zkratce se jedná o téměř všechny plastové díly.

4.2 Preprocessing

Po splnění dílčích kroků, kdy byl díl navržen a odpovídal všem zadaným kritériím, bylo možné začít díl upravovat na tisk. Zde je nutno zmínit, že všechen tisk probíhal na tiskárnách značky Prusa i3 MK3, jejíž tiskový objem má velikost 250x 210x 210 mm. Tento fakt je zde zmíněn z následujícího důvodu. U většiny dílů jsme se setkali s problémem, týkajícím se jeho rozměrů. Mnohdy se stávalo, že rozměry dílu byly větší, než byla tisková plocha tiskáren, na kterých se díly tiskly. Z tohoto důvodu musel být takovýto díl, přesahující rozměry tiskové plochy rozdělen na co nejmenší počet částí, které dané rozměry splňují.

V závislosti na přesnosti tisku a smršťování výtisku při chladnutí bylo potřeba výrobky navrhovat s dostatečnými tolerancemi, aby byla zajištěna bezproblémová montáž. Je nutné podotknout, že tiskárna má určitou nepřesnost při tisku (cca 0,3 mm - 0,5 mm), což většinou záleží na stavu tiskárny – komponentů. Z tohoto důvodu bylo nutné některé části (plochy) dodatečně doupravit.

Jako názorný příklad bych zde uvedl úpravu a následnou kompletaci sestavy elektromotoru, která měla sloužit jako ukázkový příklad finální podoby elektromotoru Buggy.

Až na samotný elektromotor zde byly všechny komponenty vyrobeny 3D tiskem. Jak jsem již zmínil, cílem zde bylo zkompletovat celou sestavu do reálné podoby (v reálném měřítku) a eliminovat pak případné nedostatky (prostorová náročnost, obtížnost montáže a celková praktičnost). Celá sestava se skládala z osmi komponentů (nepočítám-li elektromotor). Jednalo se o upevňovací desku, náboj, ložiskový domek, stahovací přírubu, brzdový kotouč, brzdový třmen, diferenciál a unášeč (viz obr. č. 11).

Obr. č. 11 Sestava elektromotoru

přídavkový rozměr proto musel být odhadnut a posléze vyzkoušen, zda-li by se pro tento případ dal použít. Přídavek byl nakonec stanoven na 0,4 - 0,6 mm na průměr (př: z původního kruhu o průměru 5,4 mm se vytiskl kruh s průměrem 5 mm). Samozřejmě byly i případy, kdy tisk neprobíhal podle představ a po dokonalost se musely některé díly doupravit ručně (broušení).

U dílů, které měly být spojeny šrouby a bylo třeba je vybavit závity, byly navrženy otvory s hvězdicovitým tvarem, které usnadňovaly vytvoření závitu v dílu.

.

Obr. č. 12 Tvorba děr pro závitník

4.3 Nastavení tisku

Posledním krokem v návrhu bylo nastavení tisku. Před každým tiskem bylo nutné nastavit určité parametry, které mají rozhodující vliv na výsledný produkt. Především jsem se zaměřil na perimetr a výplň. Perimetr udává počet stěn ve vnějším plášti objektu výtisku. Čím větší má těleso počet perimetrů, tím mu roste tloušťka stěny a získává tak pevnost, ale nabývá i na hmotnosti.

Musíme tedy počítat s faktem, že se tím prodlouží doba tisku a stoupne spotřeba materiálu. Nastavení adekvátního perimetru je důležité i v případech, kdy tiskneme duté součásti, u kterých jsou vrstvy horizontálního směru nanášeny ve větší vzdálenosti než vrstvy vertikální. Po nastavení většího počtu perimetrů pak zvýšíme šanci, že vrstva chytne na předešlou a tryska nebude nanášet vrstvy do prázdna (z důvodu tenké stěny). Na obrázku č. 13

Po úpravě

lze vidět rozdíl v nastavení perimetru, lze zde vidět nastavení 2, 4 a 8 perimetrů. Rozdíl je znatelný v tloušťce stěn jednotlivých obdélníků. [25]

Obr. č. 13 Perimetr

Výplň, respektive její hustota (vyjádřena v %) ovlivňuje především pevnost modelu.

Představuje, jak moc bude daný objekt vyplněn materiálem (viz obr. č. 14). Stejně jako nastavení perimetru, tak i nastavení výplně ovlivňuje spotřebu materiálu a délku tisku.

U nastavení je tedy zapotřebí zvážit, jakou procentuální hustotu využijeme. Pokud se jedná pouze o pohledový díl, který nebude podléhat žádnému typu zatížení, můžeme si dovolit hustotu snížit (uspoříme tak materiál a čas). Důležité je zmínit i fakt, že pravidlo větší hustoty výplně neznamená větší pevnost modelu.

4.4 Tvorba víka korby

Jako názornou ukázku, na které bych zde chtěl podrobněji popsat celý proces návrhu, výroby a kompletace jsem vybral víko korby, které patřilo k největším dílům, jaké se pro buginu tiskly.

Prvotním krokem byl návrh a design víka v programu SolidWorks (viz obr. č. 15). Víko bylo navrženo tak, aby šlo snadno namontovat na konstrukci a také aby bylo jako část karoserie pohledové.

Obr. č. 15 Víko korby - návrh

Na obrázku č. 16 můžeme vidět umístění tohoto dílu na konstrukci vozu. Celé víko bylo pak uchyceno na rámu pomocí dvou pantů a zámků (viz příloha B a C). Poloha víka je označena červenou šipkou.

Obr. č. 16 Umístění víka korby

Po návrhu víka nastala fáze řešení přípravy dílu na tisk. Tento díl měl celkové rozměry 1090 x 515 mm, jednalo se tedy o rozměry, které přesahují velikost pracovní plochy tiskárny (pracovní plocha tiskárny má velikost 250x 210x 210 mm). Z tohoto důvodu bylo nutné tento díl rozdělit na dílky menších rozměrů, tak aby vyhovovaly rozměrům pracovní plochy. Víko se tedy rozdělilo na 18 částí (jednalo se o 3 řady po 6 kusech) viz obr. č. 17.

515 mm

Z důvodu takovéhoto rozložení se musela vyřešit také montáž a kompletace všech dílů.

Do modelu se tedy musely přidat drobné úpravy, které měly za následek usnadnění kompletace.

Jednalo se o předtisknuté díry pro samořezné šrouby (na obr. č. 18 znázorněné červenou šipkou) a otvory pro vodící prvky (dřevěné kolíky – zelená šipka). Vrchní řada tzv křídlo, byla navíc ještě pro jistotu slepena.

Obr. č. 18 Upravený díl

Na obrázku č. 19 lze vidět porovnání původního dílu s upraveným dílem pro tisk.

Vidíme zde značné objemové změny, které sebou nesou značné přídavky materiálu, tedy i nárust celkové hmotnosti. Mezi takové přídavky patří například nálitky pro kolíkové spoje, tvarové zámky a opory pro stabilní tisk dílu.

Otvor pro vodící kolík

Otvor pro vodící kolík Otvory pro šrouby

Obr. č. 19 Porovnání dílů

Nyní bylo již víko rozděleno a připraveno na tisk. Důležitý faktor zde byl rozhodnout, jakým způsobem budou díly víka orientovány na tiskové ploše při tisku, tedy jakým směrem bude tisk probíhat. Po důkladné rozvaze bylo usouzeno, že nejlepším způsobem bude vytisknout všechny díly nastojato viz obr. č. 20, na kterém představuje žlutá plocha tiskovou plochu tiskárny. Důvodem takto zvoleného tisku byla představa o redukci podpor.

Obr. č. 20 Tisk dílu po úpravě

5 POSTPROCESSING

Postprocessingem se rozumí finální úprava vytisknutého dílu. V mnoha případech se objekty vytištěné na 3D tiskárně musí vzhledově doladit. Obsahují totiž například zbytky podpor, nedokonalosti povrchu, zdeformována místa a jiné chyby, které je nutno odstranit, pokud chceme docílit bezchybného vzhledu. Do postprocessingu zahrnujeme například skládání, lepení, broušení, kytování a lakování. Stejně jako u návrhu dílu, byl i postprocessing rozdělen do několika kroků.

Po výtisku je nutné nejdříve výrovek zbavit podpůrného materiálu za pomocí jednoduchých nástrojů jako jsou kleště a nůž. Následně ošetřit plochy, které jsou určeny k lepení. Po složení celého dílu následuje zatmelení spár lepených spojů a broušení. V konečné fázi je výrobek nalakován. Je-li 3D objekt tvořen více díly, nastává fáze skládání a lepení (viz obr. č .23). Pokud bychom chtěli dosáhnout zcela bezchybného vzhledu, který by nejevil žádné známky toho, že byl díl vytvořen pomocí 3D tisku, musel by být díl zakytován a následně pak nalakován.

5.1 Skládání víka

Poté, co byly všechny díly víka korby zbaveny podpor a důkladně zkontrolovány, mohla nastat fáze kompletace – skládání. Podklad pro sestavení víka korby byla zvolena sendvičová deska, na kterou jsou jednotlivé vytištěné díly přišroubovány. Na obr. č. 21 je zobrazena předpřipravena sendvičová deska pro uchycení všech dílů.

Obr. č. 21 Úprava podkladové desky

Na Obr. 22 je zobrazena postupná montáž všech tištených dílů. Celé víko se skládá ze tří řad tištěných segmentů. Obr. 22 zobrazuje vyskládanou první řadu a úvod řady druhé.

Po složení (smontování) prvních dvou řad bylo nutné samostatně sestavit a slepit řadu vrchní, která se skládala z nejmenších dílku. Dílky vrchní řady se lepily odděleně z důvodu lepší dostupnosti při montáži. V původním návrhu měla být totiž vrchní řada pouze přilepena k desce (nikoli uchycená šrouby). S těmito přídavky se v návrhu nepočítalo, a proto se musely dodělat dodatečně pomocí postprocessingu.

Obr. č. 23 Lepení vrchní řady víka

Slepením všech komponentů byl díl dokončen a mohl se namontovat na desku. Tímto krokem bylo víko korby složené. Po upevnění všech dílu víka korby byla namontovány panty a zámky (příloha B a C) a víko bylo připraveno na montáž na rám Buggy. Na Obr. 24 je zobrazeno konečné provedení víka korby na již hotovém vozidle. Postprocessing ve formě tmelu a laku byl pro účely prezentace tištených dílů vynechán. Díl na voze je ukázán na obrázku č. 24, označen šipkou.

Obr. č. 24 Zadní část vozu Buggy [26]

5.2 Vkládání insertů do výtisku

Jak bylo již dříve zmíněno, většina modelů byla rozdělená na více dílů. Ať už z důvodu příliš velké součásti, která by jako celek nešla vytisknout, tak z důvodu snadné kompletace dílu.

Takovým příkladem vícedílných výtisků, které musely být snadno rozebíratelné byly housingy světel. Všechna světla byla tvořena ze dvou až tří částí. Většinou se ale jednalo o dvoudílné světlo, tvořeno předním a zadním krytem, které muselo být lehce rozmontovatelné za účelem vložení nebo výměny LED svítidla. Hlavní problematikou zde tedy bylo vytvořit vhodný spoj těchto dvou krytů.

Spojení dvou dílu je i v tomto případě realizováno šroubovým spojem. Ale jelikož se jedná o odnímatelné kryty, u kterých se předpokládá častá demontáž, tak zde již nelze použít závit vytvořený přímo v plastu. Ten se opakovaným dotahováním poškozuje a je určen především pro jednorázové dotažení. Pokud by byl závit vytvořen přímo v modelu, musel by

k jejímu roztažení. Druhým typem je montáž pomocí ultrazvuku, kdy pomocí ultrazvukových vln dochází ke tvorbě tepla, který natavuje plast okolo. Poté co plast vychladne, dojde k ukotvení vložky. Třetí způsob pracuje na podobném principu jako druhý způsob. Jedná se o klasické nahřívání vložky pomocí jakéhokoliv média, vložka se poté nalisuje do díry a nataví plast okolo, poté se opět čeká na vychladnutí a ukotvení. A právě tento způsob byl využit i na housingy světel. Konkrétní parametry vložek jsou k nalezení v příloze D. [27]

Vložení insertové vložky do dílu bylo následující. Nejprve bylo nutné vložku tepelně nahřát (například pomocí horkovzdušné pistole - obr. č. 25), tak aby při kontaktu s plastem plast natavovala a šla tak lehce vložit do předem připraveného otvoru.

Obr. č. 25 Nahřívání závitové vložky

Po vložení vložky do předpřipraveného otvoru musela vložka zůstat ve stejné poloze, až do doby, než plast kolem ní vychladl a s vložkou nešlo již pohnout. Poté už stačilo jen počkat, dokud kompletně nevychladne. Výsledné osazení dílu vypadalo následovně. Na obrázku č. 26 lze vidět porovnání neosazeného a osazeného dílu.

Obr. č. 26 Osazení světel

5.3 Postprocessing sestavy elektromotoru

V předchozí kapitole byla zmínka o přípravě sestavy elektromotoru na tisk. Pro připomenutí: cílem bylo složit celou sestavu elektromotoru do reálné podoby v reálném měřítku. Jak bylo již řečeno, při tisku se musely nastavovat různé přídavky materiálu (na kruhové části) z důvodu nepřesnosti tisku. Určení hodnoty přídavku na daný průměr bylo čistě orientační, zde tedy nastává fáze postprocessingu.

Plochy, které obsahovaly příliš velké přídavky, které bránily v sestavení jednotlivých komponentů, musely být postupně doupraveny. Úprava probíhala klasickým broušením pomocí brusných papírů o různých zrnitostech. Brousit se musela také místa, ze kterých se musely odstranit podpory. Po odstranění podpor vznikla na některých místech nerovnoměrná struktura povrchu, která bránila usazení dílů do sebe. Další postprocessingovou operací byla tvorba závitů. V případě sestavování víka kufru byly využity závitové vložky (inserty), zde se ovšem pro změnu tvořily závity pomocí příslušných závitníků. S touto operací bylo při úpravě pro tisk

Poté, co byly všechny díly nachystány, mohlo dojít ke smontování všech dílů a upevnění na samotný elektromotor. Na obrázku č. 27 je porovnání sestavy v programu SolidWorks a reálného výtvoru.

Obr. č. 27 Porovnání sestav

6 VLIV DEGRADAČNÍCH ÚČINKŮ NA VLASTNOSTI TIŠTĚNÝCH DÍLŮ

Jelikož představuje Buggy vozidlo, stojí za úvahu vyzkoušet, zda-li je použitý materiál vhodnou volbou do různých typů prostředí. Uvažujeme, že některé díly budou muset odolávat vlhkosti, UV záření, různým povětrnostním podmínkám a teplotám. Z tohoto důvodu byl proveden test tří materiálů, vystavených různým nasimulovaným podmínkám.

6.1 Materiál a vzorky

K testu vlivu degradačních účinků, který představovala tahová zkouška byly použity celkem 3 materiály. Prvním zástupcem bylo již zmíněné PET-G, ze kterého je vyrobena převážná část dílů na bugině. Další dva materiály představovaly hojně využívané materiály při stavbě prototypů. Jedná se o ABS a CPE. Z každého druhu materiálu byly udělány tři skupinky po pěti zkušebních vzorcích. Podrobnější informace o těchto materiálech jsou uvedené v kapitole 2. Je zde třeba také nutno zmínit, že se všechny vzorky tiskly při stejném nastavení (výplň, perimetry atd.), rozdílná byla pouze teplota tisku, kterou má každý materiál jinou.

První skupinu představovaly vzorky, které byly testovány v původním stavu po vytištění. Byly pouze ponechány ve stojanu při pokojové teplotě na stinném místě, tak aby na ně nedoléhalo UV záření.

Druhá skupina vzorků byla umístěna do speciální komory (obr č. 28), simulující UV záření. V této komoře byla ponechána po dobu tří měsíců.

Obr. č. 28 UV komora

Třetí skupina byla vystavena povětrnostním podmínkám po dobu tří měsíců. Nutno zmínit, že test začal v únoru, kdy byly venkovní teploty okolo -5 °C až 0 °C. Postupem času se teploty měnily až do maxima okolo 15–20 °C. Na vzorky působil mráz, vítr, déšť a sluneční záření v závislosti na konkrétním typu počasí.

Stručný přehled pojmenování všech sad je k nalezení v tabulce č. 5.

Tab. č. 5 Přehled sad vzorků

ABS Sada 1- Neozářena UV světlem

Sada 2 – Ozářena UV světlem

Sada 3 – Vystavena venkovním podmínkám CPE Sada 1- Neozářena UV

světlem

Sada 2 – Ozářena UV světlem

Sada 3 – Vystavena venkovním podmínkám PET -G Sada 1- Neozářena UV

světlem

Sada 2 – Ozářena UV světlem

Sada 3 – Vystavena venkovním podmínkám

6.2 Výsledky – PET-G

Jak zde již bylo zmíněno, výstupem tohoto testu je tahová zkouška, jejíž podrobnější popis obsahuje kapitola 2.

První je vyhodnocen a porovnán materiál, využívaný při stavbě buginy, tedy materiál PET-G. Na následujících obrázcích č. 29, 30, 31 jsou grafická znázornění křivek závislostí síly na prodloužení jednotlivých sad tohoto materiálu. Označení sada 1 nese sada vzorků, které byly po vytisknutí ponechány pouze v místnosti při pokojové teplotě. Sada 2 je označení pro sadu, ozářenou UV světlem. Sada 3 představuje venkovní sadu. V tabulce č. 6 pak najdeme obecný záznam získaných hodnot.

Obr. č. 29 Graf PET-G – sada 1

0 200 400 600 800 1000 1200

0 1 2 3 4 5

Síla (N)

Prodloužení (mm)

PET-G_Neozářena

PET 1.1 PET 2.1 PET 3.1 PET 4.1 PET 5.1

Obr. č. 30 Graf PET-G – sada 2

Obr. č. 31 Graf PET-G – sada 3

0 200 400 600 800 1000 1200

0 1 2 3 4 5

Síla (N)

Prodloužení (mm)

PET-G_Ozářená UV světlem

PET 1.2 PET 2.2 PET 3.2 PET 4.2 PET 5.2

0 200 400 600 800 1000 1200

0 1 2 3 4 5

Síla (N)

Prodloužení (mm)

PET-G_Venkovní

PET 1.3 PET 2.3 PET 3.3 PET 4.3 PET 5.3

1 TAB. č. 6 PET-G

Sada Průměrná

maximální síla (N)

Průměrný zdvih (mm)

Odchylka – síla (N)

Odchylka - zdvih (mm)

1 1204,50 3,63 43,53 0,15

2 1234,45 3,35 41,97 0,25

3 1171,49 3,39 115,77 0,73

Na uvedených grafech můžeme vidět, že se jednotlivé křivky od sebe znatelně neliší.

Až na dva chybné vzorky, které se předčasně přetrhly, můžeme pozorovat dva typy křivek. U první křivky nastává křehký lom, při kterém vzorek praská téměř ihned po dosažení maximální síly (bez tvorby krčku). Ve druhém případě se u některých vzorků začal tvořit krček a vzorek se začal natahovat. Podíváme-li se na rozdíly v průměrné síle a zdvihu (prodloužení) všech sad, můžeme vidět, že nejsou zcela znatelné.

Pro lepší přehlednost a specifikaci byl vybrán vždy jeden vzorek ke každému typu křivky, ke kterému byla přiřazena příslušná fotodokumentace, simulující průběh tahové zkoušky (obr č. 32, 33 a č. 34, 35).

200,00 400,00 600,00 800,00 1000,00 1200,00 1400,00

Síla (N)

PET-G 3_3 (venkovní)

2

3 4

1

Obr. č. 33 Ukázka trhu – PET-G - vzorek 3_venkovní

Na obrázku č. 32 můžeme vidět průběh trhu vzorku PET-G ze třetí sady (venkovní).

Snímek číslo 1 nám zatím nejeví žádné známky deformace vzorku. Na snímku 2 můžeme vidět náznak tvorby krčku (oblast označená šipkou), jedná se o oblast dosažení maximální síly. Po dosažení této síly, síla klesá a krček se začíná natahovat (snímek 3 a snímek 4) až do úplného přetržení vzorku.

1 2 3 4

Vznik krčku

Obr. č. 34 Graf - vzorek 5 PET-G - sada 1 - neozářená

0 200 400 600 800 1000 1200

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00

Síla (N)

Prodloužení (mm)

PET-G 5_1 (neozářená)

1 2 3

1 2

3

Vznik lomu

Ve druhém případě se vzorek nenatahoval a téměř ihned po dosažení maximální síly došlo k přetržení. Jednotlivé fáze jsou ukázány na obrázku č. 35.

6.3 Výsledky – ABS

Druhým zástupcem je materiál ABS. Na obrázcích č. 36, 37, 38 budou znázorněny křivky závislosti síly na prodloužení. Označení sad je stejné jako v předchozím případě, tedy první sada – vzorky ponechány v místnosti při pokojové teplotě, druhá sada jsou vzorky ozářené UV světlem a poslední sadu představují vzorky, které byly ponechány vlivu venkovního prostředí. V tabulce č. 7 budu opět uveden souhrn výsledků všech sad ABS.

Obr. č. 36 Graf ABS - sada 1

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0 1 2 3 4

Síla (N)

Prodloužení (mm)

ABS_Neozářená

ABS 1.1 ABS 2.1 ABS 3.1 ABS 4.1 ABS 5.1

Obr. č. 37 Graf ABS - sada 2

Obr. č. 38 Graf ABS - sada 3 TAB. č. 7 ABS

Sada Průměrná

maximální síla (N)

Průměrný zdvih (mm)

Odchylka – síla (N)

Odchylka – zdvih (mm)

0 200 400 600 800 1000

0 1 2 3 4

Síla (N)

Prodloužení (mm)

ABS_Ozářená UV světlem

ABS 1.2 ABS 2.2 ABS 3.2 ABS 4.2 ABS 5.2

0 200 400 600 800 1000

0 1 1 2 2 3 3

Síla (N)

Prodloužení (mm)

ABS_Venkovní

ABS 1.3 ABS 2.3 ABS 3.3 ABS 4.3 ABS 5.3

Ve všech třech případech se průběhy křivek materiálu ABS od sebe znatelně neliší. Ani u jednoho vzorku nedošlo k vytvoření krčku a jednalo se pouze o křehké lomy. Z grafů a získaných výsledků lze ale usoudit, že UV záření a povětrnostní podmínky mají na ABS značný vliv. Týká se zejména průměrné síly pro přetržení, které je v obou případech nižší (až 300 N) než je tomu u klasické sady (sada 1). Co se týče průměrného zdvihu (prodloužení), zde nejsou znatelné žádné změny.

Na následujícím grafu bude znázorněna typická křivka vzorku ABS, doplněná o fotografie z průběhu tahové zkoušky. Pro lepší ukázku je zde přiložena fotografie vzorku po trhu, znázorňující tvorbu trhlin.

Obr. č. 39 Graf - vzorek 5 ABS – sada 2 - ozářená

0 200 400 600 800 1000

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

Síla (N)

Prodloužení (mm)

ABS 5_2 (ozářená)

1

2

3

Obr. č. 40 Ukázka trhu – ABS – vzorek 5_ozářená

Na obrázku č. 40 můžeme vidět, že se na vzorku po dosažení maximální síly začaly tvořit drobné trhliny po celé jeho ploše (viz obr. č. 40 – 2). V oblasti okolo tohoto bodu začala síla mírně klesat, až do bodu, kdy došlo k úplnému přetržení (viz obr. č. 40 – 3). Zajímavostí je, že tento jev nastal pouze u tohoto materiálu. U ostatních testovaných materiálů (CPE a PET- G) k tvorbě těchto trhlin nedošlo.

6.4 Výsledky – CPE

1 2 3

Vznik trhlin

Obr. č. 41 Graf CPE - sada 1

Obr. č. 42 Graf CPE - sada 2

0 200 400 600 800 1000

0 1 2 3 4 5 6

Síla (N)

Prodloužení (mm)

CPE_Neozářená

CPE 1.1 CPE 2.1 CPE 3.1 CPE 4.1 CPE 5.1

0 200 400 600 800 1000 1200

0 1 2 3 4 5 6

Síla (N)

Prodloužení (mm)

CPE_Ozářená UV světlem

CPE 1.2 CPE 2.2 CPE 3.2 CPE 4.2 CPE 5.2

Obr. č. 43 Graf CPE - sada 3

TAB. č. 8 CPE

Sada Průměrná

maximální síla (N)

Průměrný zdvih (mm)

Odchylka – síla (N)

Odchylka – zdvih (mm)

1 863,14 4,02 35,3 0,19

2 1067,28 3,91 37,8 0,10

3 1091,48 3,71 35,64 0,17

Z grafů je patrné, že chování materiálů CPE je podobné materiálu PET-G. I v tomto případě se zde vyskytovaly dva typy lomů ve všech sadách, stejně jako tomu bylo u PET-G.

Tabulkové hodnoty ovšem ukazují fakt, že se tento materiál stával vlivem okolních podmínek (UV záření) pevnějším. Druhá a třetí sada vykazovala téměř o 300 N větší průměrnou maximální sílu při podobném prodloužení než sada první.

Na následujících snímcích budou opět ukázány typické lomy na tahové křivce, které při zkoušce nastaly. Vznik lomu je označen šipkou.

0 200 400 600 800 1000 1200

0 1 2 3 4 5

Síla (N)

Prodloužení (mm)

CPE_Venkovní

CPE 1.3 CPE 2.3 CPE 3.3 CPE 4.3 CPE 5.3

Obr. č. 44 Graf - vzorek 2 CPE - sada 3 - venkovní

Obr. č. 45 Ukázka trhu – CPE – vzorek 2_venkovní

Na obrátku č. 45 je ukázán první případ, kdy stejně jako u PET-G došlo k natahování vzorku. Na dalším snímku lze pak vidět druhý případ, ve kterém došlo k přetržení, ihned po dosažení maximální síly, potřebné k přetržení vzorku.

0 200 400 600 800 1000 1200

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00

Síla (N)

Prodloužení (mm)

CPE 2_3 (venkovní)

1

1 2 3 4

2

3 4

Vznik krčku

Obr. č. 46 Graf - vzorek 1 CPE – sada 3 - venkovní

0 200 400 600 800 1000 1200

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00

Síla (N)

Prodloužení (mm)

CPE 1_3 (venkovní)

1

2

1 2

7 HODNOCENÍ VÝSLEDNÉHO PRODUKTU A DOPORUČENÍ ALTERNATIVNÍCH METOD

Tato kapitola se bude zabývat celkovým zhodnocením všech praktických úkolů této práce. Bude zde hodnocení metody FDM (výhody, nevýhody), hodnocení vybraného materiálu PET-G a také doporučení různých alternativ, jak k využívané metodě 3D tisku, tak k používanému materiálu.

7.1 Hodnocení FDM

Jak již bylo zmíněno, metoda FDM je jednou z nejpoužívanějších metod 3D tisku vůbec.

Jejími hlavními výhodami je pořizovací cena tiskáren, materiálu a schopnost tisku téměř jakéhokoliv tvaru. Na stavbě Buggy byly využívány pouze tiskárny značky Prusa i3 MK3, u kterých jsme byly limitování rozměry tiskových objemů. Proto musela být spousta dílů rozdělena na více části, což mělo za následek velké množství preprocessingu a následného postprocessingu.

Způsob, jak tyto nedostatky zredukovat je využívání tiskáren, disponující větším tiskovým objemem. Pro porovnání byl vytištěn díl (přední blatník – obr. č. 49) na velkoplošné tiskárně značky ATMAT (typ -Jupiter), jejíž tiskový objem dosahuje rozměrů 2000 x 1000 x 1000 mm (obr. č. 48). Na tomto dílu bylo provedené názorné hodnocení výhod a nevýhod spojených s celkovými přípravami na tisk, tiskem, cenou a spotřebou materiálu. Více informací o této tiskárně je k nalezení v přílohách (Příloha D). [28]

Obr. č. 48 ATMAT – pracovní plocha

Tisk byl proveden se stejným nastavením jako tomu bylo u nastavení pro tiskárnu Průša.

Změna ale nastala u přípravy dílu na tisk. Jelikož zde byla k dispozici plocha, na kterou se vlezl celý díl bez nutnosti jakéhokoliv dělení, bylo zde ušetřeno spoustu času. Už jen tento fakt je velká pomoc, protože se zde nemusíme zabývat způsobem rozdělení dílu, úpravami ploch, přidáváním různých prvků do dílu (otvory, zarážky, zámky atd.). Eliminujeme zde i spotřebu spojovacích prvků, jako například kolíky, čepy, šrouby a také lepidla, které by byly normálně využity na spojení rozdělených dílů. Zkrátila se také i část postprocessingu, což je samotné skládání, které sebou také neslo komplikace. Mezi nejčastější z nich patří broušení dosedacích ploch, ořezávání vzniklých hran, praskající stěny dílu při montáži, nízká pevnost lepených spojů a také vzhled.

Obr. č. 49 Přední blatník – ATMAT tisk

téměř nešlo rozeznat, zda se jedná o 3D tisk, musel by být uplatněn finální postprocessing. Díl by byl po zbavení se podpor, pomocí broušení, tmelení a lakování přiveden do finální podoby (tento proces je ovšem nutný při použití jakékoliv FDM tiskárny).

Na vozidlo se tiskly díly velkých i malých rozměrů. Pro tisk rozměrově náročnějších dílu byla metoda FDM ideální, zvláště pak na tiskárně ATMAT, díky které se díly mohly tisknout vcelku. Pro tisk menších, pohledových dílů (například tlačítka, rámečky, některé housingy světel), u kterých je důležitá především vizuální stránka by bylo naopak vhodné použít metodu SLA nebo DLP, kterou bychom docílili lepších detailů než metodou FDM.

7.2 Hodnocení PET-G

Předchozí kapitola byla věnována vlivu degradačních vlastností na různé typy termoplastů. Ze získaných výsledku bude vyhodnocen materiál, který byl použit na tisk všech dílů vozidla.

Materiál PET-G byl vybrán na základě svých vlastností, chování při tisku a příznivé ceně. Cena materiálu je jednou z rozhodujících faktorů při výběru. Ze všech tří testovaných materiálů (ABS, CPE, PET-G) bylo PET-G jednou z nejlevnějších variant. Na toto konto zde musím zmínit fakt, že se při stavbě prototypu muselo počítat s větším množstvím nepovedených výtisků a dílů. Bylo to hlavně z důvodu využití nových konstrukčních postupů, u kterých nebyl zcela předvídatelný výsledek. Dalším rozhodujícím faktorem jsou vlastnosti daného materiálu.

Prvotně byl PET-G vybrán na základě zkušeností s používáním tohoto materiálu u jiných projektů v minulosti. Jeho hlavním konkurentem na tisk dílů byl materiál CPE, který ovšem zaostával svou cenou a náročností na tisk. Jako důkaz a ověření, zda-li byl zrovna PET-G vhodnou volbou, byla provedena analýza tří materiálů (viz kapitola 6).

Výsledky pevnostních analýz zkušebních vzorků jednoznačně prokázaly dobré mechanické vlastnosti materiálu PET-G, který i po vystavení degradačním účinkům jak ve formě povětrnostních vlivů, tak koncentrovaného UV záření v komoře nevykazuje výrazná pokles hodnot oproti původnímu stavu. Bereme – li v potaz pouze vzorky, nepodléhající žádným okolním vlivům (neozářená sada) byl pevnostně PET-G těsně za ABS (maximální síla se pohybovala okolo 1200 N). Pokud bychom ovšem porovnali všechny tři testované sady, vidíme zde, že se pevnost u PET-G téměř vůbec neměnila (rozdíly byly nepatrné). Tento