PŘÍPADOVÁ STUDIE
VYUŽITÍ MATERIÁLU FLEXFILL PEBA 90A V TECNOFAB DEFAM RESEARCH GROUP
Výzkumná skupina TECNOFAB-DEFAM je součástí Katedry strojního inženýrství Katalánské polytechnické univerzity. Tým pracuje na mechanické charakterizaci 3D tiskových filamentů společnosti Fillamentum jako jsou například PLA, ABS, Timberfill® a některé typy Flexfillů.
Cílem konkrétně této případové studie je definovat kvalitativní vlastnosti materiálu Flexfill PEBA 90A, což je flexibilní filament na bázi polyether-blokového amidu. Jedná se o kopolymerní materiál s termoplastickými i elastomerními vlastnostmi. PEBA 90A je certifikována pro styk s potravinami a pokožkou a udržuje si své mechanické vlastnosti i při velmi nízkých teplotách (až -40 °C). I z tohoto důvodu se studie zaměřuje na dvě různé aplikace: spojovací prvek u lyžařských bot a stélka do obuvi.
ZAPÍNÁNÍ LYŽAŘSKÝCH BOT
Obrázek 1. Součást zapínání lyžařských bot vytištěné z materiálu Flexfill PEBA 90A.
Mezi hlavní výhody Flexfillu PEBA 90A patří funkčnost při nízkých teplotách s vysokou odolností proti nárazu jako tomu bývá právě při lyžování. Jednou z aplikací je proto použití filamentu pro tisk spojovacího prvku lyžařských bot (obrázek 1), které musí odolávat nízkým teplotám a musí být odolné při kontaktu. Tento materiál navíc vykazuje dobrou pružnost, která je pro tuto aplikaci vyžadována.
STÉLKY DO BOT
Druhým použitím tohoto materiálu byl tisk stélky boty, jak je znázorněno na obrázcích 2 a 3. Důvodem pro tisk byla pružnost, vysoká návratnost energie, odolnost vůči cyklickému zatížení bez poškození a vysoká reverzibilní deformace materiálu. Díky těmto vlastnostem je Flexfill PEBA 90A ideální pro tisk předmětů, které jsou v neustálém napínání a vyžadují flexibilitu.
Obrázek 2. Části boty
Obrázek 3. Pohled na stélku boty (A). Ukázka pružnosti vložky do boty (B). Skutečná aplikace (C)
Tiskárnou použitou pro oba objekty byl Ender-3 Pro se zrcadlovým ložem. Pracovní teplota byla nastavena na 245 °C a teplota podložky na 60 °C.
Flexfill PEBA 90A splňuje všechny podmínky, které obě aplikace vyžadovaly, kromě toho Flexfill PEBA je recyklovatelný materiál. To je velice důležitý fakt, protože cílem 3D tisku je snížit dopad na životní prostředí, toho lze dosáhnout použitím nových materiálů s pokročilými vlastnostmi. Navíc bylo prokázáno, že 3D tisk šetří čas, snižuje odpadovost a také náklady.
ZKOUŠKA TAHEM
Za účelem prokázání tahových vlastností tohoto filamentu byly provedeny dva testy podle dvou různých standardů: ASTM D638 - Standardní zkušební metoda pro tahové vlastnosti plastů a ASTM D412 - Standardní zkušební metoda pro vulkanizovanou gumu a termoplastické elastomery: Tension. Z údajů získaných v tahových zkouškách byly zpracovány, odvozeny a podrobeny ANOVA dvě mechanické vlastnosti (Youngův modul a mez kluzu. Obě byly provedeny za normálních podmínek.
ASTM D638
První zkouška tahem byla provedena podle normy ASTM D638 a rozměry vzorku, které stanoví, jsou uvedeny na plánu na obrázku 4.
Obrázek 4. Výkres vzorku (mm), ASTM D638
Konkrétní rozměry části vzorku, která je testována, jsou v tabulce 1:
| Rozměry (mm) | |
| Délka | 57 |
| Šířka | 13 |
| Výška | 7 |
| Průřez (mm2) | 91 |
První zkouška tahem byla provedena podle normy ASTM D638, konkrétně pro plasty. Získané výsledky jsou uvedeny v tabulce 2:
| Výška vrstvy (mm) | Výplň (%) | Youngův modul (MPa) | Mez kluzu (MPa) | |
| 1 | 0,20 | 25 | 32,85 ± 7,90 | 0,67 ± 0,22 |
| 2 | 0,30 | 25 | 30,64 ± 3,87 | 1,06 ± 0,14 |
| 3 | 0,20 | 75 | 34,56 ± 2,35 | 1,41 ± 0,26 |
| 4 | 0,30 | 75 | 42,55 ± 1,01 | 1,31 ± 0,25 |
| 5 | 0,25 | 50 | 32,46 ± 1,59 | 1,31 ± 0,13 |
Výsledky uvedené v tabulce 2 ukazují, že kombinace parametrů, která vede k vyššímu Youngovu modulu (42,55 MPa) při použití normy ASTM D638, je 75% hustota výplně a výška vrstvy 0,3 mm.
2. ASTM D412
Druhá zkouška tahem byla provedena na základě normy ASTM D412, která je specifická pro termoplastické elastomerní materiály. Sledovaný rozměr je uveden na obrázku 5 a v tabulce 3.
Obrázek 5. Nákres vzorku (mm), ASTM D412
| Rozměr (mm) | |
| Délka | 59 |
| Šířka | 12 |
| Výška | 3,30 |
| Průřez (mm2) | 39,60 |
Výsledky jsou uvedeny v tabulce 4.
| Výška vrstvy (mm) | Výplň (%) | Youngův modul (MPa) | Mez kluzu (MPa) | |
| 1 | 0,10 | 25 | 24,57 ± 1,85 | 0,86 ± 0,04 |
| 2 | 0,30 | 25 | 22,13 ± 3,76 | 0,82 ± 0,19 |
| 3 | 0,10 | 75 | 46,28 ± 17,89 | 0,61 ± 0,59 |
| 4 | 0,30 | 75 | 35,60 ± 0,95 | 1,04 ± 0,09 |
| 5 | 0,20 | 50 | 30,17 ± 3,43 | 0,95 ± 0,16 |
Pokud je použitým standardem ASTM D412, pak kombinace parametrů, která vede k vyššímu Youngovu modulu (46,28 MPa), je 75% hustota výplně a výška vrstvy 0,1 mm. Ačkoli se tento standard nepoužívá pro většinu článků publikovaných vědci v tomto oboru, jeho použití by se doporučilo pro material Flexfill PEBA 90A, protože je specifické pro vulkanizované kaučuky a termoplastické elastomery.
CHARPYHO TEST
Pro otestování rázové odolnosti tohoto materiálu byl proveden Charpyho test podle specifikací normy ISO 179. Vzorek má rozměry uvedené na obrázku 6.:
Obrázek 6. Nákres vzorku (mm), ISO 179
Podmínky tohoto testu byly provedeny na zmrazeném vzorku při -20 °C a výsledkem bylo, že se nerozbil.