Filament HD PLA od Fiberlogy: wielki TEST

Filament HD PLA od Fiberlogy jest, według producenta, materiałem innowacyjnym. Firma Fiberlab twierdzi, że HD PLA po wygrzaniu w temperaturze 80 stopni Celsjusza, uzyskuje podobne parametry do ABS’u (który oprócz dobrej wytrzymałości mechanicznej, cechuje się również doskonałą wytrzymałością temperaturową). W tej recenzji zbadamy właściwości tego “cudownego” PLA i zweryfikujemy, czy hasła firmy Fiberlab odnośnie swojego produktu są zgodne z prawdą.

Filament HD PLA Fiberlogy

Filament HD PLA to specjalne PLA, które warto poddać procesowi wygrzewania. Pod wpływem temperatury, w materiale dokonują się zmiany – PLA staje się bardziej wytrzymałe oraz zwiększa się jego odporność na wysokie temperatury. Cena HD PLA Fiberlogy to około 125 zł brutto za szpulę o wadze 0,85 kg. Można zatem powiedzieć, że cena nie jest niska. Według firmy Fiberlab, HD PLA ma cechować się:

Tak przeprowadzone wygrzewanie powoduje zmianę właściwości gotowego wydruku, nadając mu wytrzymałość mechaniczną zbliżoną do ABS przy jednoczesnym wzroście stabilności temperaturowej aż do 140°C.

Ten cytat zaczerpnięty ze strony producenta (http://fiberlogy.com/pl/content/HDPLA z dnia 29.07.2016) miał zostać w pewien sposób zweryfikowany w tym teście. Jednakże na przestrzeni miesięcy informacja na podanej stronie zmieniła swoje brzmienie:

Po wygrzaniu wydruki zyskują lepszą udarność oraz zwiększoną odporność na wyższe temperatury.

I na dzisiejszy dzień (21.02.2017) właśnie powyższą informację znaleźć można na stronie producenta. Czy to lepsza czy gorsza informacja – to pozostawiam czytelnikowi do oceny. W pierwszym zapisie z pewnością nie uzyskujemy precyzyjnej odpowiedzi w kontekście zwiększonej “wytrzymałości mechanicznej” (tutaj aż prosi się o dopowiedzenie wytrzymałości mechanicznej… ale na co? Rozciąganie, ściskanie itd.), natomiast w drugim zapisie nie wiemy czy stabilność temperaturowa produktu będzie zachowana w środowisku do 140 stopni Celsjusza.

W tym miejscu zakończmy dywagację na temat obietnic producenta i przejdźmy do testu.

1. Test filamentu Fiberlogy

Założeniem testu była weryfikacja tezy, że materiał HD PLA po wygrzaniu uzyskuje większą wytrzymałość mechaniczną niż HD PLA niewygrzane. W drugiej kolejności została porównana stabilność temperaturowa niewygrzanego i wygrzanego HD PLA Fiberlogy. Podczas testu nie dokonano porównania wygrzanego PLA z ABSem. W teście zestawiono dodatkowo wyniki dla wydruków wykonanych z filamentu PLA Spectrum Filaments.

Założono, że w odniesieniu do każdej próbki, wykonany zostanie test wytrzymałości na rozciąganie. Seria próbek z HD PLA Fiberlogy została wygrzana w piekarniku elektrycznym. Próbki zostały stopniowo nagrzane do 80 stopni Celsjusza a następnie pozostały w tej temperaturze około 15 minut.

2. Wytrzymałość na rozciąganie (metoda domowa)

Przygotowanie środowiska do testowania wymagało dwóch elementów – maszyny oraz odpowiednio wykonanej próbki. Przyrząd do wykonania pomiaru zrobiłem na płycie wiórowej:

• na jej krańcach zamontowałem haki,
• do jednego z haków zamocowałem wagę ręczną (max 25kg) – posłużyła do odczytu pomiaru naciągu,
• do drugiego końca wagi zamontowałem śrubę napinającą – obrót specjalnej nakrętki zsuwa krańce śruby do siebie, dzięki temu generowany jest naciąg,
• do śruby zamocowałem próbkę (za pomocą uchwytów),
• drugi koniec próbki zaczepiłem o drugi z haków.

Przyrząd

Przyrząd, który został użyty do pomiarów, przedstawiony jest na poniższym zdjęciu:

Próbki

Próbki wydrukowanie zostały na drukarce z użyciem filamentu HD PLA Fiberlogy oraz PLA Spectrum Filaments. Z uwagi na nieduże możliwości przyrządu w ujęciu generowania naciągu, próbki do badań musiały mieć nieduże wymiary i niestety nie zostały wykonane zgodnie z normami. Kształt próbki prezentowany jest na poniższym zdjęciu.

Wyniki

Poniższa tabela przedstawia wyniki uzyskane w momencie zerwania próbki. Wyniki podane zostały w Niutonach.

Spectrum Filaments	HD PLA Fiberlogy – niewygrzane	HD PLA Fiberlogy – wygrzane
Siła zrywająca: 170 N	Siła zrywająca: 160 N	Siła zrywająca: 170 N

Podsumowanie

Próbki z HD PLA Fiberlogy wygrzanego wykazały niezaznaczany wzrost (około 6%) siły zrywającej (a przez analogię – wytrzymałości na rozciąganie) w stosunku do niewygrzanego HD PLA Fiberlogy. Próbki wykonane z PLA Spectrum Filaments uzyskały w teście taką samą wytrzymałość na rozciąganie co próbki wykonane z HD PLA Fiberlogy wygrzanego.

Niestety test był obarczony dużym błędem pomiarowym. Począwszy od konstrukcji przyrządu, wykorzystania niedokładnej wagi ręcznej oraz badaniu próbek nie spełniających norm trzeba jasno zaznaczyć, że wyniki wymagają weryfikacji i wykonania ponownego testu na profesjonalnej maszynie.

3. Wytrzymałość na rozciąganie (metoda profesjonalna)

W kolejnym podejściu wykonane zostały próby wytrzymałości na rozciąganie na profesjonalnej maszynie wytrzymałościowej. Próbki zostały wykonane zgodnie z normą PN-EN ISO 527-1:2012 która określa warunki oznaczania właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu dla tworzyw sztucznych. W celu wykonania badania wykonano 6 próbek, z których 3 zostały wygrzane w suszarce laboratoryjnej w temperaturze 80 stopni Celsjusza. Dzięki zastosowaniu profesjonalnej suszarki oraz wolnemu nagrzewaniu, nie doszło do deformacji próbek.

Maszyna wytrzymałościowa

Wykorzystano ekstensometr firmy Instron. Próbki zostały umieszczone w uchwytach maszyny i poddane próbie rozciągania.

Próbki

Podobnie jak we wcześniejszym przypadku, próbki zostały wydrukowane na Jelwek Prusa i3 (filament HD PLA Fiberlogy). Modelowanie próbek wykonałem w programie CAD na przeglądarkę – Onshape. Wymiary modelu są zgodne z normą PN-EN ISO 527-1:2012. Proces projektowania można zobaczyć na poniższym filmie.

Slicer, który został wykorzystany do pocięcia modeli to Cura 15.04.06. Wszystkie próbki (6 próbek) zostały wydrukowane z warstwą o wysokości 0,2 mm oraz grubością skorupy 0,96 mm (2 krotna wielkość dyszy 0,48 mm). Reszta parametrów wydruku:

• Grubość góra/dół (Bottom/top thickness): 1 mm
• Wypełnienie: kratka, 50%
• Prędkość: 40 mm/s

Próbka dostępna na thingiverse: http://www.thingiverse.com/thing:2137960

Wyniki

W poniższych tabelach zaprezentowano wyniki pomiarów. Próbki wygrzane w 80 stopniach zostały oznaczone przez przyrostek “T80″. W próbach wystąpiły 2 przypadki, w których zerwanie próbki nastąpiło poza długością pomiarową (pomiary te nie zostały uwzględnione podczas wyliczania średniej, próba oznaczona ” * “).

HD PLA Fiberlogy – niewygrzane próbki

HD PLA Fiberlogy – wygrzane próbki

Na poniższym wykresie zależności między odkształceniem a naprężeniem, przedstawiono wyniki testu dla poszczególnych próbek.

Na poniższych zdjęciach przedstawiono próbki po zerwaniu.

HD PLA Fiberlogy niewygrzane

HD PLA Fiberlogy wygrzane

Podsumowanie

Próbki wykonane z HD PLA Fiberlogy wygrzanego uzyskują wyższą wytrzymałość na rozciąganie Rm w stosunku do próbek niewygrzanych.  Wzrost wytrzymałości próbek wygrzanych wyniósł około 9% w stosunku do niewygrzanych. Jednocześnie próbki wygrzane cechowały się nieco mniejszą wartością odkształcenia zarejestrowanego w momencie zerwania.

Filament HD PLA Fiberlogy podczas wygrzewania uzyskuje większą wytrzymałość na rozciąganie, co prawdopodobnie jest związane z procesem zachodzącym wewnątrz struktury materiału. Producent nie zdradza jakiego typu proces zachodzi w materiale, ale możemy jedynie domyślać się że prawdopodobnie dochodzi zmiany stopnia krystaliczności polilaktydu na skutek wygrzewania.

Wykres naprężenie-odkształcenie wskazuje, że materiał nie ma widocznej granicy plastyczności, dlatego też próbki nie uległy widocznej deformacji w miejscu pęknięcia.

4. Stabilność temperaturowa

Do tego testu wydrukowane zostały 3 nieduże kubki. 2 pojemniki zostały wydrukowane z HD PLA Fiberlogy oraz 1 z PLA Spectrum Filaments. Jeden z dwóch kubków z HD PLA został wygrzany w piekarniku w temperaturze 80 stopni Celsjusza przez 15 minut.

Każdy z kubków został wypełniony wrzątkiem na 30 sekund. Po wylaniu wrzątku, kubki był plastyczne i zostały zgniecione w dłoni… oprócz jednego:

Wynik testu był zaskakujący. Kubek wykonany z HD PLA Fiberlogy wygrzanego w 80 st. C wykazał doskonałą wytrzymałość temperaturową. Pod wpływem wrzątku, materiał się nie uplastycznił co dowodzi jego zwiększonej wytrzymałości temperaturowej. Można zaryzykować stwierdzenie, że wygrzane HD PLA będzie łatwiejsze w obróbce mechanicznej, podczas której wydziela się dużo ciepła.

5. Wielkie podsumowanie

Jak wynikło z badań przez mnie przeprowadzonych Filament HD PLA Fiberlogy po wygrzaniu zmienia swoje właściwości mechaniczne. Wynik badań metodami domowymi przyniósł połowiczny sukces. Badanie wytrzymałości na rozciąganie za pomocą improwizowanego przyrządu było obarczone zbyt dużym błędem, próbki nie mogły zostać wykonane zgodnie z normami, a sam pomiar był dość niebezpieczny (zachęcam do obejrzenia relacji tutaj>>). Test wytrzymałości temperaturowej był na tyle prosty, że jego wynik jest wiarygodny, mimo przeprowadzenia tego testu w warunkach domowych – wygrzane HD PLA od Fiberlogy wykazało zdecydowanie lepszą odporność na wrzątek niż niewygrzane HD PLA oraz PLA Spectrum Filaments. Muszę dodać, że w tym teście kubek z PLA Spectrum Filaments był mniej plastyczny niż ten wykonany z niewygrzanego HD PLA.

Rozstrzygnięcie przyniósł test wytrzymałości na rozciąganie, przeprowadzony na maszynie wytrzymałościowej Instron. Dzięki temu badaniu potwierdzone zostało, że próbki wykonane z HD PLA Fiberlogy po wygrzaniu uzyskują większą wytrzymałość na rozciąganie niż próbki z niewygrzanego HD PLA (wzrost wartości Rm o około 9%).

O ile jest to dobra wiadomość dla producenta i nas – konsumentów, o tyle pozostają pytania: “A co ze zwykłym PLA? Czy je też można wygrzać i uzyskać lepsze parametry wytrzymałości na rozciąganie i stabilności temperaturowej?”. Na te i inne pytania odpowiem… jak przeprowadzę stosowne testy :-) Możecie się zatem spodziewać drugiej części tego artykułu!