Wytrzymałość materiałów stanowi pojęcie niezwykle szerokie. Jej składowych elementów jest w istocie wiele, zatem różnie może być ona interpretowana. Jedno z kryteriów, względem których taki krok interpretacyjny można uczynić, stanowi odporność filamentu na działanie różnego rodzaju związków chemicznych. Czy na wykonywane z niego wydruki negatywny wpływ mają substancje o odczynie kwasowym? Czy materiał charakteryzuje się odpornością na działanie acetonu? Pod wpływem jakich rodzajów związków chemicznych wydrukowane z filamentu obiekty trójwymiarowe ulegną roztworzeniu? Na takie przykładowe pytania użytkownik drukarki 3D poszukiwał będzie odpowiedzi, chcąc ustalić, czy dany filament wyróżnia się wysoką odpornością chemiczną, czy też cechuje go wysoka podatność na destrukcyjny wpływ różnorodnych substancji. Analogiczne rozważania przeprowadzić można dla innych rodzajów wytrzymałości, charakteryzujących określony materiał. Niniejszy artykuł skupia się na mechanicznej odporności tworzyw. Precyzyjniej rzecz ujmując, mowa tu o jednym z jej elementów składowych. Jest nim udarność, czyli główny bohater tego artykułu.
Udarność - czym jest?
Czym właściwie jest udarność? Stanowi ona niepodatność danego filamentu na przerwanie jego ciągłości, czyli pękanie. Aby jednak móc mówić o udarności określonego tworzywa, do omawianego uszkodzenia dojść musi w wyniku zajścia pewnego, specyficznego (choć powszechnie spotykanego) zdarzenia. Jakiego konkretnie? Filament, którego udarność jest badana, musi zostać uderzony, czyli wystawiony na wpływ dynamicznego obciążenia. Efekt takiego zdarzenia stanowi pęknięcie tworzywa, o czym wspomniano już wcześniej w niniejszym artykule. Znajomość wartości siły uderzenia, która doprowadzi do omawianego rodzaju uszkodzenia materiału, umożliwia ustalenie poziomu udarności badanego surowca. Nasuwa się jednak pytanie: Ile razy filament taki powinien zostać uderzony? Odpowiedź na postawione pytanie jest prosta. Uderzenie, wskutek którego materiał pęknie, powinno nastąpić jeden raz. Znając wartość pracy, jaką włożono w poddanie tworzywa działaniu takiego obciążenia dynamicznego, oraz jeszcze jednej wielkości, o której dowiesz się, Drogi Czytelniku, za chwilę, pozwala na określenie, czy badany materiał charakteryzuje się wysoką udarnością, czy też wręcz przeciwnie. Efekt uderzenia danego surowca stanowić musi pęknięcie. To już udało się ustalić w ramach rozważań powyższych. Jednakże czym właściwie jest omawiane pęknięcie? Stanowi ono przerwanie ciągłości materiału. Ten zwrot pojawia się nie po raz pierwszy w niniejszym artykule, co zapewne zdążyłeś zauważyć, Drogi Czytelniku. Taka nieciągłość określana jest mianem karbu. Zaznaczyć trzeba oczywiście, że pęknięcie stanowi jeden z wielu przykładów przerwania ciągłości surowca. W rozważaniach dotyczących udarności materiałowej istotny jest przekrój poprzeczny próbki w miejscu, w którym zjawisko karbu wystąpiło. Rozumowanie to wymaga jednak doprecyzowania. Otóż znać należy pole powierzchni omawianego przekroju. Podsumowując zatem wszystkie rozważania, które ujęto w tym akapicie artykułu, dojść można do wniosków następujących: Aby określić poziom udarności danego materiału, wiedzieć należy, jak dużą pracę włożono w uderzenie, które doprowadziło do pęknięcia tworzywa. Znać należy również pole powierzchni poprzecznego przekroju próbki w miejscu, w którym owo przerwanie jej ciągłości wystąpiło. W jaką zależność ubrać należy omówione wielkości w celu uzyskania informacji na temat tego, jak bardzo badane tworzywo jest udarne? Wartość udarności materiału uzyskuje się, dzieląc wartość pracy włożonej w jego uderzenie (które wywoła przerwanie ciągłości próbki) przez pole powierzchni poprzecznego przekroju miejsca, w którym pęknięcie wystąpiło. Zależność tą zapisać można w sposób następujący:
We wzorze tym przyjęto oznaczenia następujące:
Litera U oznacza udarność filamentu. Jej jednostkę stanowi J/mm2 (dżul na milimetr kwadratowy). Pracę uderzenia wymaganą do przerwania ciągłości materiału oznaczono jako W. Jej jednostką jest dżul (J). Litera P oznacza pole powierzchni przekroju poprzecznego próbki, czyli miejsca, w którym wystąpiło pęknięcie badanego materiału. Jednostką omawianego pola jest metr kwadratowy, czyli m2.
Metody pomiaru udarności tworzyw (w tym filamentów do drukarki 3D)
Zadać można teraz pytanie: Jaką aparaturę wykorzystuje się do badania udarności tworzyw? Jednym z przykładowych narzędzi, za pomocą których dokonuje się jej określania, jest tzw. młot Charpy'ego, zaś technika pomiarowa, w której narzędzie to odgrywa istotną rolę, zwie się metodą Charpy'ego. Dlaczego wspomniano tu o tej konkretnej procedurze pomiaru udarności? Powód jest prosty do odgadnięcia. Producenci filamentów często uwzględniają w kartach technicznych wytwarzanych materiałów informacje nt. udarności tworzyw, której wartość ustalono, stosując metodę Charpy'ego. Wśród firm, które dane tego rodzaju zamieszczają w dokumentach TDS, wyróżnić można Fiberlogy. Producent ten w kartach technicznych wybranych filamentów uwzględnia wartość typową ich udarności, którą mierzono w temperaturze równej 23°C. Informacja nt. warunków termicznych, w jakich dokonano stosownych pomiarów, wynika z pewnego ważnego powodu. Udarność danego materiału zależy bowiem od temperatury. Jednostkę, w jakiej jest ona wyrażana, stanowi kilodżul na metr kwadratowy (kJ/m2).
Powyższy rysunek stanowi uproszczony schemat aparatury pomiarowej, jaką stanowi młot Charpy'ego. Cyfrą 1 oznaczono próbkę tworzywa, którego udarność jest badana. Numerem 2 zaznaczono podpory. Położenie początkowe wahadła z bijakiem oznaczono cyfrą 3. Położenie końcowe wspomnianej w poprzednim twierdzeniu części młota Charpy'ego wskazuje liczba 4. Cyfrą 5 oznaczono bijak, czyli element, który wejdzie w interakcję bezpośrednią z próbką badanego materiału poprzez jej uderzenie, którego skutek stanowić będzie pęknięcie elementu, którego udarność jest mierzona.
Fotografia przedstawia próbki wybranych filamentów wraz z uwzględnioną udarnością tych materiałów. Producenci wybranych tworzyw stosowanych w druku 3D umieszczają takie informacje w kartach technicznych oferowanych przez nich produktów. Przykłady takich firm stanowią ROSA 3D Filaments oraz Fiberlogy. Z danych, jakie uwzględniono na zdjęciu, wywnioskować można, iż spośród zamieszczonej na nim filamentowej czwórki najwyższą udarnością wyróżnia się BioCREATE. Oznacza to, iż jego wytrzymałość na pękanie jest duża.
Udarność filamentu - czy znajomość jej wartości jest istotna?
Podsumowując, udarność stanowi ważny aspekt wytrzymałości mechanicznej filamentów. Znajomość jej wartości charakterystycznej dla danego tworzywa pozwala użytkownikowi drukarki 3D na zweryfikowanie, czy wybrany przez niego materiał nada się do celu, do jakiego wykonany z takiego termoplastu wydruk ma zostać wykorzystany. Wartość udarności określić pozwala metoda Charpy'ego. Nie jest ona jednak jedynym sposobem na sprawdzenie, z jak bardzo udarnym materiałem użytkownik maszyny drukującej ma (lub będzie miał) do czynienia. Stanowi to jednak temat na kolejny artykuł, który już wkrótce stanie się jednym z elementów składowych Kompendium Druku 3D.
