Filamenty, z których wykonuje się przestrzenne wydruki podzielić można według kryteriów różnorakich. Biorąc pod uwagę temperaturową odporność tworzywa, wyróżnić można termoplasty, które niełatwo ulegają destrukcyjnemu działaniu wysokich temperatur oraz materiały charakteryzujące się niską wytrzymałością termiczną. Istnieją filamenty proste w druku, a także te, które wymagają od użytkownika drukarki 3D dużego doświadczenia, aby tworzyć z nich pozbawione skaz wydruki trójwymiarowe. Co z kolei z odpornością chemiczną? Wyróżnić można tworzywa niezwykle wytrzymałe na niszczycielskie działanie rozmaitych chemikaliów oraz na takie, które niesamowicie łatwo ulegają ich destrukcyjnemu wpływowi. Materiały wykorzystywane w druku 3D podzielić można na wiele innych, różnych sposobów. Nic w tym dziwnego. Każdy filament posiada multum cech, na podstawie których wykreować można masę kryteriów podziału tworzyw. Niniejszy artykuł bierze pod uwagę jedno z nich. Jest nim twardość materiału, zaś narzędzie niezwykle pomocne w określeniu jej wartości stanowi skala twardości Shore'a.

Twardość materiału - czym właściwie jest?

Czym jednak jest sama twardość? Mając na myśli omawianą cechę substancji, pod uwagę bierze się materiały występujące w stałym stanie skupienia - w rozważaniach takich odrzuca się zatem ciecze oraz gazy. Na powierzchnię ciała stałego oddziałują różnego rodzaju siły, czego efekt uboczny stanowią odkształcenia jego wierzchniej części. Zaznaczyć należy dodatkowo, iż źródłem omawianych sił jest materiał bardziej wytrzymały na powierzchniową destrukcję niż ciało na jego oddziaływanie mechaniczne wystawione. Twardość stanowi zatem odporność materiału na odkształcenia jego powierzchni. Aparatów stosowanych do jej pomiaru istnieje wiele. Biorąc jednak pod uwagę to, iż zdecydowaną większość filamentów stanowią tworzywa sztuczne, przykład urządzenia pomiarowego stanowi durometr Shore'a.

Bardzo ważny, bo mający bezpośrednią styczność z materiałem, którego twardość jest mierzona, element durometru Shore'a stanowi tzw. wgłębnik. Wykonuje się go ze stali utwardzanej. Wgłębnik może mieć postać klasycznego stożka lub też stożka ściętego. Pierwszy typ omawianego komponentu durometru wykorzystuje się, chcąc zmierzyć twardość surowca, stosując skalę Shore'a typu D. Wgłębnik będący stożkiem ściętym stosuje się w aparatach pomiarowych typu A. Mowa tu zatem o dwóch różnych skalach twardości Shore'a. Czy jest ich więcej? Oczywiście, że tak! Niniejszy artykuł skupia się jednak na tych, które wspominane są najczęściej w opisach produktów, jakie stanowią filamenty. Zadać można pytanie: Dlaczego do opisania jednej, konkretnej cechy materiałowej, jaką jest twardość, stosuje się kilka różnych skal? Pierwszą z nich, czyli typ D, wykorzystuje się do określania twardości materiałów twardych. Skala A używana jest do wyznaczania wartości tejże cechy surowców miękkich. Maksymalny wynik, jaki uzyskać można, stosując daną skalę, wynosi 100. Wartość minimalna to 0.

Powyższy rysunek przedstawia fragment durometru Shore'a do określania twardości materiału w oparciu o skalę Shore'a typu D. Kolor limonkowy symbolizuje badany materiał, w którym umieszczono wgłębnik. Jego najważniejszy fragment, mający kształt stożka o zaokrąglonym końcu, oznaczono ciemnoszarym kolorem. Na rysunku zaznaczono dane dotyczące wgłębnika. Kąt jego rozwarcia wynosi 30°. Kierunek siły, jaką element działa na tworzywo, jest pionowy. Siła zwrócona jest w dół.

Rysunek umieszczony powyżej przedstawia fragment durometru Shore'a, czyli urządzenia pomiarowego, za pomocą którego określa się twardość surowca, tym razem w oparciu o skalę twardości Shore'a typu A. Zaznaczono na nim również najważniejsze informacje dotyczące wgłębnika, czyli komponentu, który odgrywa kluczową rolę w określaniu tego, jak twardy jest badany durometrem materiał. Najważniejszy fragment tego elementu, stanowiący przykład bryły zwanej stożkiem ściętym, zabarwiono na ciemnoszaro. Kąt rozwarcia wgłębnika przyjmuje wartość równą 35°. Kolor limonkowy również i na tym rysunku oznacza tworzywo, którego twardość się mierzy. Ponownie, siła, którą wgłębnik wywiera na badany materiał, działa w kierunku pionowym i zwrócona jest w dół.

Udarność filamentu - czy znajomość jej wartości jest istotna?

Zauważyć można, iż dane dotyczące twardości tworzywa, które pozyskano, przeprowadzając stosowne pomiary durometrem Shore'a, umieszczane są przez producentów filamentów na produktach, które charakteryzują się elastycznością. Często informację tą zamieszcza się w nazwach termoplastów elastycznych. Efekt takiego zabiegu stanowi obecność na rynku filamentów takich jak m.in.: FiberFlex 30D, FiberFlex 40D oraz S-Flex 90A. Pierwsze dwa materiały produkowane są przez firmę Fiberlogy. Za produkcję filamentu nr 3 odpowiada Spectrum Filaments. Dzięki umieszczeniu informacji, które pozyskano przy pomocy stosownego rodzaju durometru Shore'a, łatwo ustalić można, czy wybrany materiał nada się do wykonania z niego wydruku o określonym przez użytkownika drukarki 3D przeznaczeniu. Jest to niezwykle istotne, zwłaszcza gdy trójwymiarowy obiekt ma zostać wydrukowany z filamentu, od którego oczekuje się elastyczności. 

Fotografia przedstawia różnokolorowe wydruki wykonane z filamentu S-Flex 90A produkowanego przez firmę Spectrum.¹. Oznaczenie 90A informuje, iż w skali twardości Shore'a typu A materiał ten osiąga wartość równą 90.

Skala twardości Shore'a - wartości dla wybranych filamentów

Poniższa tabela stanowi zestawienie danych dotyczących elastyczności filamentów. Ową własność wyrażono, wykorzystując w tym celu skalę twardości Shore'a. Dane te umieszczane są przez producentów tworzyw do druku 3D w stosownych dokumentach, jakimi są TDS-y (ang. Technical Data Sheets). Zwrócić warto uwagę na fakt, iż wybrane firmy zadają sobie trud wyrażenia stopnia twardości filamentów zarówno w skali Shore'a typu D, jak również skali Shore'a typu A, co bywa niezwykle pomocne w określeniu poziomu elastyczności tworzyw do druku 3D. Dane te pozyskano, korzystając z rozmaitych metod (norm) pomiarowych - nie tylko tych, które wspomniano do tej pory w niniejszym artykule.

¹Na fotografii znajdują się wydruki wykonane z filamentu S-Flex 90A w różnych kolorystycznych wariantach. Rozpoczynając od lewej strony zdjęcia, są to barwy następujące:

• Bahama Yellow
• Bloody Red
• Lime Green
• Deep Black
• Lion Orange