Udarność - ciąg dalszy
Udarność stanowi temat niezwykle ważny zwłaszcza w kontekście materiałów, jakimi są tworzywa sztuczne. Filamentów, z których drukuje się trójwymiarowe struktury, wykorzystując urządzenia zaprzęgające do pracy nad wydrukami technologię FDM, jest multum. Różnią się one między sobą fizykochemicznymi właściwościami. Oznacza to zatem, iż wachlarz zastosowań filamentów charakteryzuje się wręcz gargantuiczną rozpiętością. Rolę przewodnika po świecie fizykochemicznych właściwości każdego z nich pełni zarówno karta charakterystyki określonego tworzywa (MSDS), jak również jego techniczna dokumentacja, w skrócie TDS (ang. Technical Data Sheet). To właśnie w tym drugim dokumencie zawarte są m.in. informacje o tym, jak wysoki jest poziom wytrzymałości danego materiału na uderzenia. Istnieje kilka metod pomiaru udarności tworzyw. Jedna z nich została pokrótce omówiona w jednym z artykułów już opublikowanych - przeczytać go można, klikając tutaj. Wyniki pomiaru udarności tworzywa metodą Charpy'ego - bo właśnie o niej tu mowa - uwzględnia m.in. firma ROSA 3D Filaments w kartach technicznych wybranych filamentów przez nią produkowanych. Kolejną formą sprawdzenia poziomu wytrzymałości materiału na negatywny wpływ dynamicznych obciążeń, jakimi są uderzenia, jest wykonanie próby Izoda. Na czym dokładnie omawiana metoda pomiarowa polega? Czym różni się ona od próby Charpy'ego? Odpowiedzi na te dwa pytania odnajdziesz, Drogi Czytelniku, w niniejszym artykule.
Zjawisko karbu. Czym jest?
Niezwykle istotne pojęcie, które powiązane jest z próbą Charpy'ego, metodą Izoda oraz udarnością w sensie ogólnym, stanowi karb. Aby lepiej je zrozumieć, warto przyjąć założenie, iż dysponuje się próbką określonego materiału, która nie została uprzednio uszkodzona. Jej powierzchnia jest zatem ciągła. Co jednak stanie się, gdy ulegnie ona uszkodzeniu? Ciągłość powierzchni próbki zostanie przerwana. Miejsce, w którym to nastąpiło, zwie się właśnie karbem. Jego pojawienie się sprawia, iż wytrzymałość próbki maleje. Karb przyjmować może zarówno postać otworu, jak również nacięcia. Wszelakie krawędzie także stanowią przykłady miejsc, w których powierzchnię badanego materiału określić należy jako nieciągłą. Na tym jednak nie koniec. Form, jakie przyjmować może karb, jest wiele. Samo zjawisko ma bardzo istotne znaczenie w kontekście metod pomiarowych, które stosuje się w celu sprawdzenia udarności określonego tworzywa. Ważny jest nie tylko kształt karbu, lecz również jego umiejscowienie w próbce badanego filamentu. Narzędzie pomiarowe w metodzie Izoda i próbie Charpy'ego stanowi młot działający na zasadzie wahadła. W przypadku pierwszej techniki pomiaru udarności materiału karb zlokalizowany jest na tym fragmencie powierzchni próbki, w którą opisany wcześniej aparat uderzy bezpośrednio. Mierząc odporność tworzywa na uderzenia metodą Charpy'ego, fragment przedmiotu badań umieszcza się w systemie badawczym nieco inaczej. Strona z karbem nie jest bowiem bezpośrednio wystawiona na uderzenie młota!
Ilustracja powyższa przedstawia położenie próbki tworzywa w sposobie badania poziomu jej udarności, jaką jest metoda Charpy'ego. Ciągłość powierzchni jednej ze stron materiału przerwano poprzez umiejscowienie na niej karbu w kształcie litery V. Zwrócić należy uwagę na miejsce, w które uderzy młot. Karb zlokalizowany jest bowiem na przeciwnej stronie próbki do powierzchni, w którą zostanie ona uderzona.
Grafika powyżej ilustruje próbkę materiału, którego odporność na uderzenia jest testowana. Tym razem udarność tworzywa testuje się, korzystając z prawideł, jakimi rządzi się metoda Izoda. Na pierwszy rzut oka widać, iż w omawianej technice badawczej próbka zamocowana jest inaczej niż w sposobie Charpy'ego. Na tym jednak różnice się nie kończą. Strona próbki, na której umiejscowiono karb (tutaj ma on ponownie kształt litery V), to także powierzchnia, w którą uderzy młot.
Metoda Izoda a pomiar udarności
Zadać można teraz pytanie: Jak zatem uzyskuje się informację o poziomie udarności określonego tworzywa, dysponując wynikami pomiarowymi, które pozyskano, stosując metodę Izoda? Znać należy wartości dwóch wielkości. Pierwszą z nich stanowi energia uderzenia młota, w wyniku działania której doszło do złamania próbki materiału, którego udarność jest mierzona. Jednostka, w jakiej jej wartość się wyraża, to dżul (J). Można ją wyrazić także jako wielokrotność dżula np. w postaci kilodżuli (kJ, gdzie jeden kilodżul to tysiąc dżuli). Drugą ważną wielkością umożliwiającą wyznaczenie udarności danego tworzywa jest pole powierzchni przekroju poprzecznego w miejscu karbu. Omawiane pole wyraża się w metrach kwadratowych (m2). Jak zatem uzyskać wielkość oczekiwaną, czyli informację o odporności materiału na uderzenia? Wykorzystać wystarczy wzór poniższy:
Oznaczeniami, jakie zastosowano we wzorze umieszczonym powyżej, są:
Litera U, czyli udarność tworzywa. Jej jednostkę stanowić może J/m2 (dżul na metr kwadratowy). Energię uderzenia, która wymagana jest do złamania próbki materiału, oznaczono jako W. Jej jednostkę stanowi dżul (J). Litera P to pole powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu. Jednostką omawianego pola jest metr kwadratowy, czyli m2.
Pomiar udarności metodą Izoda a filamenty
Informację o poziomie udarności danego filamentu odnaleźć można w jego technicznej dokumentacji, czyli karcie TDS, o czym już w niniejszym artykule wspomniano wcześniej. Istnieją producenci tworzyw, którzy odporność na uderzenia swych produktów opisują w oparciu o metodę Charpy'ego. Część firm produkujących filamenty opisuje poziom tego rodzaju wytrzymałości, bazując na danych, które pozyskano, wykonując pomiary poprzez zastosowanie techniki Izoda. Istnieją także producenci, którzy uwzględniają w kartach technicznych swych produktów informacje uzyskane dzięki wykorzystaniu tychże dwóch metod w celu zdobycia informacji o udarności tworzyw! Przykładem firmy, która korzysta z techniki Izoda do mierzenia odporności na uderzenia swoich filamentów, jest ROSA 3D Filaments.
Fotografia przedstawia wybrane filamenty oferowane przez firmę ROSA 3D Filaments. Uwzględniono też informacje o ich udarności wg metody Izoda. Zauważyć należy jednak, iż jej wartość dla materiału ASA określono zgodnie z normą ASTM 256, której w niniejszym artykule nie ujęto. Z kolei odporność na uderzenia materiału PET-G Standard opisano według normy ISO 180.
Udarność. Czy znajomość jej wartości jest przydatna w druku 3D?
Materiałowa odporność na uderzenia to cecha niezwykle istotna z bardzo prostego powodu. Znajomość poziomu udarności filamentu pozwala zweryfikować, czy sprawdzi się on jako materiał budulcowy wydruku przeznaczonego do określonego przez użytkownika drukarki 3D zastosowania. Zarówno technika Charpy'ego, jak również metoda Izoda umożliwiają na określenie poziomu udarności tworzyw. Umieszczanie uzyskanych dzięki nim danych w kartach technicznych filamentów stanowi w stu procentach rozwiązanie sensowne. Dlaczego? Znajomość właściwości fizykochemicznych materiałów stosowanych w druku 3D pozwala użytkownikom urządzeń drukujących na dogłębniejsze poznanie prawideł tymi tworzywami rządzących, a tym samym lepsze zrozumienie samej techniki druku przestrzennego, jaką stanowi FDM.
