Parametrów pozwalających na precyzyjne opisanie właściwości fizykochemicznych filamentów jest multum. Umieszcza się je w technicznych dokumentacjach materiałów, z których w bliższej lub dalszej przyszłości wytworzone zostaną trójwymiarowe wydruki. Parametrem o znaczeniu szczególnie wielkim jest temperatura. Wraz z jej wzrostem filament staje się coraz mniej twardy. Zwiększeniu ulega zatem poziom jego plastyczności. Wpływa to korzystnie na proces wytłaczania filamentu przez drukarkę 3D. Co jednak w sytuacji, gdy wydruk został już przygotowany? Czy wówczas waga parametru, jakim jest temperatura, ulega zmniejszeniu? Odpowiedź na postawione dwa pytania nosi wszelkie, możliwe znamiona trywialności - co do tego nikt nie powinien mieć żadnych wątpliwości. Temperatura to niezwykle istotny parametr wytrzymałościowy wydruku wykonanego z filamentowego materiału. Jak zatem określa się termiczne własności surowców, z których drukuje się trójwymiarowe obiekty? Jedną z pomiarowych metod sprawdzania odporności tworzywa stanowi ustalenie temperatury jego mięknienia w ujęciu Vicata.

O pomiarowej metodzie słów kilka

Weryfikowanie temperatury mięknienia tworzywa opiera się na wykorzystania do tego celu określonej aparatury pomiarowej. Aparat pozwalający na ustalenie wartości tego parametru wytrzymałościowego wyposażony jest w tzw. wgłębnik. Kształtem swym przypomina on igłę, której koniec został spłaszczony. Figurą geometryczną, stanowiącą jego przekrój poprzeczny może być zarówno koło, jak również kwadrat. Jej pole wynosi 1mm². Wgłębnik wchodzi w interakcję bezpośrednią z materiałem, którego temperatura mięknienia stanowi przedmiot badania. Zagłębia się on w próbce tworzywa w czasie, gdy ogrzewana jest ona z określoną szybkością. Głębokość, na jaką igła zanurza się w badanym materiale, wynosi 1mm. Rozróżnia się dwie różne wartości prędkości, z jaką podnosi się temperaturę badanego materiału. Jedna z nich wynosi 50°C/h, czyli pięćdziesiąt stopni Celsjusza na godzinę, druga zaś równa jest 120°C/h. Przed rozpoczęciem ogrzewania próbki umieszcza się na niej obciążany wgłębnik. Wyróżnia się dwa warianty wartości siły, z jaką komponent ten oddziaływał będzie na badany materiał. Wielkość ta wynosić może zarówno 50N, czyli pięćdziesiąt niutonów, jak również 10N. Bez większych problemów wysnuć można wniosek, iż stosowny wynik pomiaru, jaki stanowi temperatura mięknięcia tworzywa, uzyskać można, stosując aż cztery różne metody.

Filament Easy ABS jest materiałem produkowanym przez firmę Fiberlogy. Techniczna dokumentacja produktu zawiera informację nt. jego temperatury mięknięcia Vicata. W celu jej ustalenia postępowano zgodnie z normą ISO 306. Typowa wartość temperatury mięknięcia Vicata dla filamentu Easy ABS równa jest 92°C. 

A i B

Badacz tego wytrzymałościowego parametru wybrać musi jedną z dwóch wartości siły nacisku, jaką wgłębnik wywiera na próbkę materiału. Dobrać należy także szybkość, z jaką tworzywo będzie ogrzewane w czasie, gdy element badawczej aparatury mający bezpośrednią styczność z badanym obiektem naciska na tenże surowiec. Jak już wiadomo badacz do wyboru ma szybkość grzania o dwóch, różnych wartościach. Metody, jakimi temperaturę mięknięcia według Vicata można wykonać, są zatem następujące:

• A50, w której siła nacisku, jaką wgłębnik wywiera na próbkę, wynosi 10N, zaś szybkość grzania badanego tworzywa przyjmuje wartość równą 50°C/h
• A120, czyli forma testu, w której wielkość siły, z jaką wgłębnikowy element badawczego aparatu naciska na materiał, to ponownie 10N. Wartość prędkości, z jaką próbka jest ogrzewana, różni się jednak od tej, która występuje w metodzie A50. Test A120 polega bowiem na wybraniu szybkości grzania materiału, która wynosi 120°C/h.
• B50, w której siła nacisku, jaką wgłębnik działa na tworzywo, równa jest 50N. Prędkość ogrzewania próbki materiału wynosi z kolei 50°C/h.
• B120, czyli test, który wykonuje się, naciskając na filament wgłębnikiem z siłą, której wartość jest równa 50N. W odróżnieniu od metody B50 szybkość grzania próbki wynosi 120°C/h.

Temperatura mięknięcia Vicata. Czy jest istotna?

Wskazać należy pewne różnice pomiędzy zmianami postaci filamentu pod wpływem oddziałującej na ten materiał wzrastającej temperatury, jakimi są mięknięcie oraz topnienie. Nie stanowią one bowiem przemian sobie równoważnych. Topnienie jest zmianą ciała stałego w ciecz. Mięknięcie (lub też mięknienie) takiej przemiany nie stanowi. Pod wpływem temperatury, która działa na określony materiał, staje się on bardziej plastyczny. Nie ulega on jednak przemianie w płyn. Zmniejsza się jednak jego twardość, w wyniku czego wzrasta prostota, z jaką można go przetwarzać, poddając go np. procesowi wytłaczania. Znajomość temperatury mięknięcia Vicata tworzywa stwarza osobie jej znającej możliwość dokonania precyzyjnej optymalizacji procedury przetwórstwa określonego materiału. Pomocna jest ona również w wyznaczaniu termicznej wytrzymałości surowca. Nie bez przyczyny producenci filamentów zawierają w kartach technicznych (TDS) informacje o wartościach tego parametru. Jedną z norm, według których się ją ustala, jest ISO 306. Wśród firm, które informacje nt. temperatury mięknięcia Vicata umieszczają w technicznych dokumentacjach swoich produktów, są m.in. ROSA 3D Filaments oraz Fiberlogy.

Temperaturę mięknięcia Vicata filamentu ASA firmy ROSA 3D Filaments ustalono według normy ASTM D1525. Wartość tego parametru termicznego wynosi dla niego 94°C.

Temperatura mięknienia wg Vicata a norma badawcza

Zdarzyć się może, iż wartości temperatury mięknienia Vicata dla filamentów o takich samych składnikach bazowych będą się nieznacznie różnić. Z czego owe różnice mogą wynikać. Cóż, wartości bywać będą różne w zależności od dokładnego składu badanego materiału, jak również wykorzystanej w pomiarach normy badawczej. Różnice wynikające z czynnika nr 2 będą subtelne, gdyż zarówno norma ISO 306, jak również ASTM D1525 dają zbliżone rezultaty, co nie oznacza, iż ich pomiarowe rezultaty nienacechowane będą drobnymi różnicami. Umieszczona poniżej tabela przedstawia wartości temperatury mięknienia według Vicata, które ustalono dla wybranych filamentów. Zwrócić warto zwłaszcza uwagę na tworzywo ASA.