Ci sono moltissimi materiali resinosi disponibili sul mercato, tutti con proprietà meccaniche e prezzi differenti. A differenza dell'FDM, in cui il filamento polimerico viene utilizzato da un materiale noto con determinate proprietà meccaniche, le stampanti 3D SLA, DLP e LCD utilizzano resine in cui le proprietà meccaniche sono ottenute dalla composizione chimica della resina. A causa della differenza nella composizione chimica della resina, le proprietà meccaniche (caratteristiche del materiale) sono molto importanti e aiuteranno a confrontare diverse resine. Le proprietà meccaniche possono aiutarti a scegliere la resina giusta per la tua applicazione. In molti casi un fornitore di resina per stampa 3D fornisce una serie di proprietà meccaniche per ciascun materiale. Cosa significano queste proprietà meccaniche e come si collegano alla tua applicazione? Questo articolo darà un approfondimento sul significato delle proprietà meccaniche e risponderà a domande su queste proprietà.
Per spiegare il significato delle proprietà meccaniche, l'esempio dei dati tecnici (dal TDS) di Liqcreate Strong-X è discusso. La tabella seguente mostrerà i dati tecnici di Liqcreate Strong-X:
Proprietà liquide
La prima parte dei dati tecnici di un materiale dirà di più sulle proprietà del liquido. L'aspetto darà maggiori informazioni sul colore e sullo stato fisico del materiale. In caso di resine, lo stato fisico deve essere sempre liquido.
Cosa sono i valori Ec e Dp?
Tutti Liqcreate Le resine sono resine per stampa 3D induribili ai raggi UV, il che significa che hanno una specifica reattività alla luce. Questa reattività controlla il comportamento delle resine nella stampante. Parametri specifici della sua reattività sono l'Energia Critica (Ec) e la Profondità di Penetrazione (Dp), due valori riscontrabili per tutte le Liqcreate materiali nella relativa Scheda Tecnica. Questi due valori sono valori derivati empiricamente basati su misurazioni effettuate con una stampante 3D.
La reattività alla luce viene misurata esponendo le resine con diverse dosi di energia (Exposure), nella maggior parte dei casi questa viene controllata aumentando il tempo di esposizione nella stampante 3D. Quindi lo spessore dello strato della resina indurita viene misurato e tracciato rispetto al corrispondente apporto di energia, come mostrato nella figura seguente.
Poiché la resina assorbirà la luce e utilizzerà la sua energia per avviare la reazione di solidificazione, la profondità di polimerizzazione sarà sempre finita, portando a una correlazione logaritmica tra l'esposizione e la profondità di polimerizzazione, nella figura sopra è mostrata una curva tipica. ,
La curva (curva di lavoro) è una rappresentazione visiva della correlazione tra stampante e resina e da questa si ricava una correlazione matematica, come mostrato nella formula 1 con:
Cd = Profondità di polimerizzazione [mm] (spessore dello strato)
Dp = Profondità di penetrazione [mm] (pendenza di Cd vs LogExp)
Ec = Energia Critica [J/mm2] (la quantità minima di energia richiesta per formare uno strato solido)
Cd = Dp • In(Esp) + Ec
E dove Exp = esposizione [J/m2], che è una funzione del tempo di esposizione calcolato come mostrato nella formula 2, con:
t = Tempo [s] (tempo di illuminazione)
Irr = Irradianza [W/m2] (potenza della sorgente luminosa)
Esp = t • Irr
Finora la parte tecnica sul comportamento di polimerizzazione, ma in che modo questi parametri descrivono il comportamento delle resine in una stampante 3D da un punto di vista più pratico?
La profondità di penetrazione (Dp) mostra una sensibilità dei materiali alle variazioni dell'emissione luminosa, il che significa che un materiale con un Dp inferiore ha prestazioni migliori se soggetto a variazioni del tempo di esposizione/potenza della sorgente luminosa, mentre un materiale con un Dp più elevato è più probabilmente un materiale di stampa più veloce ma anche più sensibile ai guasti alle deviazioni nell'emissione di luce. Mentre sembra che una resina da stampa più veloce sia più preferibile, una resina meno sensibile è pratica più utile, a causa dell'elevata probabilità di variazioni nell'emissione di luce dovute alla mancanza di un'adeguata pulizia e al degrado della sorgente luminosa.
L'energia critica (Ec) è un valore per la quantità minima di energia richiesta per formare uno strato solido e quindi la quantità minima di energia richiesta per la stampa 3D.
Questi valori derivano da misurazioni pratiche, il che significa che possono variare quando i parametri all'interno della misurazione vengono modificati come temperatura e lunghezza d'onda.
Quali altre proprietà liquide sono importanti?
La viscosità e la densità del materiale forniranno informazioni sul liquido stesso. Una viscosità più alta, significa una resina più spessa. Ciò ha effetto sul riflusso del polimero e sui movimenti della piattaforma. Se conosci il volume del tuo modello 3D e la densità del materiale che hai selezionato, puoi facilmente calcolare il peso del tuo modello stampato in 3D.
Proprietà del polimero
Dopo aver preso nota delle proprietà del liquido, le prossime informazioni ti diranno di più sulle proprietà meccaniche del polimero. Le proprietà meccaniche sono proprietà dei materiali che danno un'idea di come si comportano i materiali sotto determinati tipi di stress meccanico. Molti tipi diversi di sollecitazione possono essere applicati per determinare le proprietà meccaniche, che possono essere generalmente suddivise in tre tipi più comunemente utilizzati nell'industria dei polimeri, sollecitazione di trazione, compressione e impatto.
Resistenza alla trazione, modulo giovane e allungamento
Il test di trazione viene utilizzato per misurare le prestazioni dei materiali sotto stress di tensione lineare, che in breve significa cosa succede se si tira il materiale. La prova viene eseguita applicando una tensione a un provino specifico come mostrato nella figura 1. Tipicamente vengono utilizzati provini a forma di osso di cane in cui le parti larghe vengono utilizzate per afferrare il provino e le forze vengono applicate alla parte più piccola del provino .
Figura 1: test delle proprietà meccaniche in direzione di trazione.,
In questa prova il materiale viene allungato fino alla rottura e durante questo processo la quantità di forza viene misurata rispetto alla quantità di deformazione applicata al provino e tracciata in una curva. Una curva tipica è mostrata nella figura 2. Queste curve mostrano il "comportamento" dei materiali e sono utilizzate per determinare una varietà di proprietà meccaniche.
Figura 2: Tipica curva sforzo-deformazione per prove di trazione con A: misura del modulo di trazione; B; Forza di snervamento; C: Resistenza alla trazione e D: il maxquantità massima di deformazione prima del fallimento.,
Tutti Liqcreate i materiali vengono testati in questo modo per determinare le seguenti proprietà meccaniche:
- Resistenza alla trazione: La massima quantità di sollecitazione prima del cedimento, misurata come mostrato nella Figura 2. Tipicamente ciò significa che il materiale con una maggiore resistenza alla trazione può sopportare una forza maggiore prima della rottura.
- Allungamento a rottura: La quantità in cui il materiale viene allungato come percentuale della lunghezza originale. Misurato dalla quantità totale di deformazione prima del cedimento.
- Modulo giovane: Una misura della rigidità di un materiale, un modulo più alto significa un materiale più rigido. Il modulo giovane viene misurato misurando la relazione tra sollecitazione e deformazione (pendenza) nella parte lineare della curva.
In che modo le proprietà tensili-meccaniche sono correlate al tuo progetto?
Per quanto riguarda il campo di applicazione, le proprietà di trazione mostrano le caratteristiche per ciascun materiale. A seconda di quale si può scegliere il materiale più adatto. Tipicamente i materiali fragili mostrano una deformazione minima ma possono sopportare livelli di sollecitazione elevati, il che significa che questi materiali hanno mostrato una deformazione molto ridotta quando viene applicata la sollecitazione e mantengono la loro forma fino alla rottura. Per i materiali più morbidi/flessibili mostra che la quantità totale di sollecitazioni che possono sopportare è inferiore perché queste si deformano quando viene applicata la sollecitazione ma hanno meno probabilità di rompersi quando viene applicata una sollecitazione limitata. Nella maggior parte dei materiali è un compromesso tra resistenza/modulo e allungamento. È quindi importante sapere qual è l'influenza di ciascuna di queste proprietà sul tuo progetto.
Figura 3: Comportamento di diversi tipi di materiali durante le prove di trazione.
Resistenza a flessione e modulo a flessione
La resistenza a flessione e il modulo a flessione sono generalmente testati sulla stessa attrezzatura di prova delle proprietà di trazione. Per questa prova viene eseguita una prova di flessione a 3 punti. Un campione rettangolare viene posizionato su due punti di fissaggio e un carico viene applicato tra questi punti nella direzione opposta, una vista schematica è mostrata nella Figura 4.
Figura 4: Vista schematica della prova di flessione a 3 punti.,
La deformazione del campione viene misurata rispetto alla forza applicata, portando a una curva simile a quella trovata con le prove di trazione. La principale differenza tra le prove di flessione e le prove di trazione è che nelle prove di trazione viene applicata una sollecitazione lineare e nelle prove di flessione viene applicata una combinazione di forze di trazione e compressione, mostrando un diverso comportamento dei materiali. Questo è mostrato nella figura 4.
Figura 5: Curva di prova di flessione tipica a sinistra; A destra) mappa termica della sollecitazione applicata durante una prova di flessione a 3 punti dove in verde il materiale è sottoposto a forze di compressione e in rosso il campione è sottoposto a forze di trazione.,
Questo test viene utilizzato in generale per determinare due proprietà meccaniche:
- Resistenza alla flessione: La massima quantità di forza che il materiale può sopportare prima del cedimento.
- Modulo a flessione: Una misura della rigidità del materiale, considerata come rapporto tra la forza applicata e la deformazione nella regione elastica.
In che modo le proprietà flessionali sono correlate al tuo progetto?
La resistenza alla flessione e il modulo di flessione possono essere proprietà importanti per selezionare un materiale per il tuo progetto, soprattutto quando il tuo progetto richiede un materiale che si comporti bene sotto forze di compressione. Materiali ad alta resistenza e alto modulo come Liqcreate Strong-X, con una resistenza alla flessione di 135 MPa e un modulo di flessione di 3,25 GPa si comportano in modo eccellente sotto tensione. Lo svantaggio di questi materiali è spesso un allungamento e un impatto inferiori, rispetto ai materiali più flessibili.
Cosa significa forza d'urto IZOD in relazione alle parti stampate in 3D?
La misurazione Izod Impact è un metodo per misurare la resistenza all'impatto di un materiale. In questa prova viene applicata una forza d'urto a un campione con intaglio specifico, come mostrato nella figura 5 di seguito, la dimensione e la forma del campione varia per i diversi tipi di materiali, ad esempio plastica, ceramica o metalli. La forza d'impatto è applicata da un martello su un pendolo, dove la forza d'impatto è determinata dall'altezza della caduta, dal peso del martello e dalla lunghezza del pendolo.[5] [6]
Figura 6: Rappresentazione schematica del test di impatto IZOD.
Nel test Izod Impact è nota la quantità di energia applicata dal martello e viene misurata la quantità di forza assorbita dal materiale. Pertanto la resistenza all'urto è il metodo più comune utilizzato per testare la tenacità di un materiale in resina poiché la tenacità è definita come la capacità di un materiale di assorbire energia e deformarsi plasticamente prima del cedimento.
Ci sono molti materiali in resina disponibili e per gli utenti spesso è difficile identificare se una resina è utile per il loro progetto. Ad esempio, sono disponibili dozzine di resine "simili all'ABS", ma se si osservano bene le loro proprietà, alcune proprietà come l'allungamento o la resistenza corrispondono alla vera plastica ABS. La proprietà più importante, la resistenza all'urto è spesso solo il 10% della resistenza all'urto dell'ABS.
Quali sono le proprietà termiche di una parte stampata in 3D?
Per determinare come si comportano i materiali al variare della temperatura, è possibile eseguire una serie di test termici. La proprietà principale che viene studiata durante questi test è la temperatura di transizione vetrosa o Tg. La Tg è una temperatura definita alla quale un materiale passerà da uno stato vetroso a uno stato gommoso. Anche se la Tg è sempre definita come una singola temperatura, la transizione vetrosa avviene su a longer range di temperatura diverso per ogni materiale.
Esistono diversi modi per misurare la Tg, il metodo più comunemente utilizzato applicato ai termoplastici è la calorimetria a scansione differenziale (DSC). Per le plastiche termoindurenti, che in genere sono tutte le resine per stampa 3D polimerizzabili con UV, l'analisi meccanica dinamica (DMA) è più comunemente utilizzata.
Misurazione della Tg con metodo DSC
La calorimetria a scansione differenziale è una tecnica termo-analitica che riscalda e raffredda i campioni a una velocità specifica e misura la quantità di energia richiesta per le variazioni di temperatura. Qualsiasi cambiamento di fase in un campione costerà o produrrà energia mostrando una differenza nella quantità di energia richiesta per riscaldare il sistema. L'energia consumata viene quindi tracciata rispetto alla temperatura mostrando tutti i cambiamenti esotermici ed endotermici che si verificano.
Misurazione della Tg con metodo DMA
Tipicamente il materiale in resina per stampa 3D è un polimero reticolato e quindi mostra solo lievi variazioni termiche durante la transizione vetrosa, rendendo difficile misurare la Tg usando DSC. In alternativa, è possibile utilizzare l'Analisi Meccanica Dinamica. DMA utilizza la misurazione meccanica e traccia i dati rispetto alla temperatura. È possibile utilizzare molte misurazioni diverse come compressione, trazione, flessione o sollecitazione di taglio. La sollecitazione viene applicata ripetutamente e per ogni misurazione viene misurato un modulo mentre vengono applicate le variazioni di temperatura. Una tipica curva DMA è mostrata nella figura 6. La regione in cui il modulo scende improvvisamente è considerata la transizione vetrosa.,
Figura 7: Perdita e modulo di conservazione del materiale reticolato durante una misurazione DMA.
Temperatura di deflessione del calore (HDT)
La temperatura di deflessione termica è la temperatura al di sotto della quale un materiale si deforma a un carico specifico. Questo test viene eseguito in una configurazione di flessione a 3 punti come mostrato nella figura 7. Il materiale del campione è soggetto a una forza costante di 0.455 MPa o 1.82 MPa a quel punto la temperatura è aumentata a una velocità specificata di 2°C/min . La temperatura alla quale viene misurata una deformazione di 0.25 mm è chiamata HDT.
Anche se il risultato del test non è direttamente applicabile, viene utilizzato principalmente come strumento di confronto universale per verificare le prestazioni termiche di diversi materiali.,
Figura 8: Rappresentazione schematica del test della temperatura di deflessione del calore.
Cosa significa durezza Shore D?
La durezza Shore D è un test semplice, che misura la resistenza di un materiale alla rientranza sulla superficie. Questo test viene eseguito premendo un ago specificato con una forza specificata sulla superficie del materiale di prova. Questo test è utilizzato principalmente nell'industria della gomma e dei metalli e mostra un'indicazione sulla rigidità del materiale in gomma o resina. Nell'industria della plastica questo test non è molto interessante, poiché i valori Shore non mostrano alcuna correlazione diretta con alcuna proprietà meccanica e vengono semplicemente utilizzati come metodo semplice e veloce per il controllo della qualità. tutti i materiali duri sono nella regione di uno Shore D di 80-90. La Figura 9 mostra una panoramica della scala di durezza Shore A e Shore D con esempi,. Rispetto al Liqcreate TDS di Strong-X, con uno Shore D di 87 è classificato come materiale duro, esattamente come tutti gli altri Liqcreate materiali con uno Shore D di ~82.
Figura 9: Scala di durezza Shore A e Shore D con esempi di materiali.,
Come viene misurato l'assorbimento d'acqua e in che modo questo influisce sul tuo progetto?
L'assorbimento d'acqua è misurato secondo ASTM D570-98. Questo metodo di prova per il tasso di assorbimento d'acqua serve come guida per la proporzione di acqua assorbita da un materiale. Nella prova, il materiale di prova viene stampato sotto forma di un disco di 50.8 mm di diametro e 3.2 mm di spessore. Il peso del materiale viene registrato prima e dopo 24 ore di immersione in acqua demineralizzata a 23 gradi centigradi.
L'assorbimento d'acqua può avere una grande influenza sul materiale in resina se utilizzato in ambienti umidi o bagnati. Generalmente le proprietà meccaniche diminuiscono quando un materiale polimerico è completamente saturo di acqua e il materiale in resina polimerica potrebbe gonfiarsi quando ha un elevato assorbimento d'acqua. È importante selezionare un materiale in resina con basso assorbimento d'acqua, come Liqcreate Strong-X quando lo si utilizza in queste condizioni.
, http://www.matweb.com/reference/tensilestrength.aspx
[3] www.subtech.com
, https://www.fictiv.com/hwg/design/engineering-fundamentals-refresh-strength-vs-stiffness-vs-hardness
[6] http://sm-nitk.vlabs.ac.in/exp5/index.html
, https://www.smooth-on.com/page/durometer-shore-hardness-scale/
[10] https://www.radtech2017.com/wp-content/uploads/2017/11/92Bonhoure.pdf
