Wydrukowane za pomocą drukarki 3D obiekty są narażone (w mniej lub bardziej zamierzony sposób) na wpływ różnego rodzaju sił. Jednym z możliwych skutków ich działalności może być utrata przez wydruk swojego pierwotnego kształtu, przykładowo powodując jego wydłużenie w jednym z trzech jego wymiarów. Jakie siły odpowiadać mogą za wspomniane wcześniej deformacje wydruków? Wśród grona różnorodnych oddziaływań, wskutek działalności których obiekty ulegają odkształceniom, wyróżnić należy naprężenia liniowe.

O naprężeniach słów kilka

Wydruki trójwymiarowe, które wykonane zostały z termoplastycznych materiałów, poddawane są często wpływowi różnorodnych, mechanicznych oddziaływań, które weryfikują poziom wytrzymałości zarówno wydrukowanego obiektu, jak również samego tworzywa, z którego przedmiot utworzono. Interakcje te mogą mieć charakter różnoraki. Przykładową formą takiego mechanicznego oddziaływania jest uderzenie wykonanego uprzednio wydruku, wykorzystując w tym celu inny obiekt. Zdarzenie takie określa się mianem dynamicznego obciążenia. Jego skutek stanowi wystąpienie deformacji wydrukowanego obiektu. Co jednak kryje się za wspomnianym w twierdzeniu poprzednim zjawisku? Oznacza ona zmianę kształtu utworzonego za pomocą drukarki 3D wydruku wskutek wpływu określonych sił na ów obiekt działających. Przedmiot taki traci zatem swoją pierwotną formę, tj. taką, jaką przyjmował on, zanim dane oddziaływanie wywierało nań zmianę pewnych jego wymiarów. Przykład siły, której efektem jest deformacja przygotowanego uprzednio wydruku trójwymiarowego, stanowi naprężenie. Może mieć ono charakter liniowy. Siła wpływa wówczas na zmianę jednego z trzech wymiarów określonego obiektu. Zmienić może się zatem albo wysokość, albo szerokość, albo długość przygotowanego wydruku. W momencie, gdy zmiana ta jest wielkością dodatnią, mówi się o naprężeniu rozciągającym. Zajść może jednak sytuacja przeciwna. Zmiana długości jednego z wymiarów wydruku przyjmuje wówczas wartość ujemną. Siła, która opisaną przemianę wywołuje, zwana jest naprężeniem ściskającym. Jedną z jednostek, w jakich wyraża się wartość wymienionych wcześniej oddziaływań, stanowi paskal, który oznacza się jako Pa. Jak wielkość taką można zinterpretować? Dysponując powierzchnią, której wartość wynosi jeden metr kwadratowy, czyli 1m², i działając na nią siłą równą jednemu niutonowi (1N), powstaje naprężenie. Iloraz wartości oddziaływania i wielkości płaszczyzny, która na ekspozycję omawianej siły została wystawiona, równa jest zatem jednemu paskalowi, co zapisać można następująco:

Odkształcenia. Czym one są?

Zjawiskiem nieodłącznie powiązanym z wpływem naprężenia na określony przedmiot, jest wspomniana już wcześniej utrata pierwotnej formy przez taki obiekt. Ulega on zatem deformacji. Charakteryzuje się ją, wykorzystując w tym celu pojęcie, jakim jest odkształcenie. Wielkość ta pozwala na zobrazowanie poziomu deformacji danego obiektu (w tym wydruków wykonanych za pomocą drukarki 3D). Efektem wpływu naprężenia rozciągającego na określony przedmiot jest jego odkształcenie rozciągające. Skutek działania naprężenia ściskającego na wydruk stanowi odkształcenie ściskające takiego obiektu. Dotychczas zawarte w artykule niniejszym rozważania pozwalają na wysnucie wniosku, iż wzrost wartości naprężenia wywieranego na wydruk sprawi, iż poziom odkształcenia takiego przedmiotu wzrośnie. Wnioskowanie to jest, rzecz jasna, słuszne. Zależność ta jednak nie zawsze ma charakter liniowy. Oznacza to, iż jej graficzną reprezentację niekoniecznie stanowić będzie linia prosta. Omawiane wielkości pozostaną wprost proporcjonalne, jeśli wartości naprężenia będą niewielkie. Związek opisywanych dwóch zmiennych stanowi w takim przypadku liniowa funkcja rosnąca. Zależność pomiędzy naprężeniem i odkształceniem daje się zatem wyrazić równaniem następującym:

W powyższym równaniu występuje tajemnicza wielkość, którą oznaczono literą E. Jest to...

Moduł Younga

Wielkość ta jest jedyną stałą, która pojawia się w równaniu zawartym na końcu akapitu poprzedniego. Zwie się ją również modułem sprężystości. Jest to jednak także nazwa ogólna stosowana w odniesieniu do kilku różnych rodzajów tejże wielkości. Jej odpowiednio doprecyzowane wersje różnią się w zależności od typów naprężeń (i odpowiadających im odkształceń), jakich one dotyczą. Dla tego rodzaju oddziaływań o charakterze liniowym, czyli naprężeń rozciągających i ściskających, omawiana stała zwie się modułem Younga. Jednostką, w jakich jej wartość się wyraża, jest paskal (Pa). W kartach technicznych (TDS) filamentów wielkość tą podaje się często w megapaskalach (MPa), przy czym jeden megapaskal to jeden milion paskali. Rozważając wprowadzone wcześniej równanie wiążące ze sobą siłę naprężeniową i odkształcenie, bezproblemowo wysnuć można pewien wniosek dotyczący głównego bohatera akapitu niniejszego. Im większą wartość moduł Younga przyjmuje, tym mniejszy poziom odkształcenia spowoduje oddziałująca na wybrany obiekt siła naprężeniowa. Materiały sztywne są zatem bardziej odporne na deformację wywołaną naprężeniem. Dlaczego? Moduł Younga takich materiałów osiąga wysokie wartości. 

Moduł Younga a filamenty

Wartości modułu Younga często uwzględniane są w kartach technicznych (TDS) filamentów. Spectrum Filaments jest przykładem firmy, której produkty zawierają informacje o tejże stałej materiałowej. Zaznaczyć należy, iż producent ten zamieszcza również szczegółowo opisane warunki, w jakich wartość modułu sprężystości zmierzono. Nie są to jedynie parametry druku próbki filamentu, która stanowiła obiekt badawczy. Wartość modułu sprężystości podano dla wydruków różniących się stopniem wypełnienia. Uwzględnia się także informacje o rodzajach testów, jakim próbki poddano. Próbka testowana jest według zasad zgodnych z normą ASTM D638. Dane powiązane z modułem Younga oraz wytrzymałością filamentów na rozciąganie uwzględnia również firma ROSA 3D Filaments w kartach technicznych swoich produktów. Ich pomiarów dokonano zgodnie z normą ISO 527. Czy dane takie są jednak przydatne dla użytkownika drukarki 3D, który poszukuje odpowiedniego materiału, z którego chciałby on wykonać wydruk? Oczywiście, że tak! Po pierwsze - informacje takie pozwalają na porównanie mechanicznej wytrzymałości danego typu filamentu produkowanych przez różne firmy. Użytkownik drukarki 3D ma zatem możliwość dobrania materiału do swoich preferencji względem odporności na deformację wybranego tworzywa. Po drugie - znajomość wartości modułu Younga dla różnych materiałów dostarcza szeregu cennych informacji dotyczących ich odporności na odkształcenia. Bezproblemowo wywnioskować można także zależność pomiędzy stopniem wypełnienia wydruku i wielkością omawianego parametru. Im jest on wyższy, tym większą wartość moduł Younga przyjmuje. Przeanalizować można także zależność pomiędzy poziomem sztywności materiału i wielkością modułu sprężystości. Wnioski wyciągnięte z takiej analizy będą oczywiste. Wzrost sztywności materiału oznacza również wzrost wartości modułu Younga. Wzrasta zatem także odporność tworzywa na odkształcenia, a zatem także rośnie wytrzymałość badanego materiału na potencjalnie negatywny wpływ naprężeń. Znajomość wprowadzonych w niniejszym artykule pojęć oraz ich umiejętna interpretacja są w stanie dostarczyć użytkownikowi drukarki 3D wielu cennych informacji dotyczących wykorzystywanych w druku przestrzennym filamentów.

Wartości modułu sprężystości dla różnych filamentów firmy ROSA 3D Filaments