Kon-41.4005 Kokeelliset menetelmät Koesuunnitelma 3D-tulostetun muovin materiaaliominaisuuksien mittaus Janica Aula Qiongge Tai Hans Koskinen Tuomas Isomaa Aleksi Kinnunen
Sisällysluettelo 1 Tutkimusongelma ja tutkimuksen tavoite... 3 2 Tutkimusmenetelmä... 4 2.1 Teoreettinen tausta... 4 2.2 Käytännön koejärjestelyt... 6 3 Mittaussuunnitelma... 7 4 Suurimmat haasteet... 8 5 Aikataulu... 9 6 Turvallisuustarkastelu... 9 7 Virhetarkastelu... 9 Lähteet... 10 Liite 1 Mittauspöytäkirja... 11 2
1 Tutkimusongelma ja tutkimuksen tavoite Tutkimuksen tarkoituksena on tutkia 3D-tulostettujen ABS (akryylinitriilibutadieenistyreeni)-muovisauvojen lujuusominaisuuksia mittaamalla venymää ja venyttämiseen vaadittavaa voimaa. Tavoitteena on selvittää vastaavatko tulostettujen kappaleiden lujuudet samasta muovista puristamalla valmistetun materiaalin lujuusominaisuuksia. Muovien materiaaliominaisuuksia on tutkittu paljon, mutta muovien muuttumista 3D-tulostuksen yhteydessä ei niinkään paljon. 3D-tulostaminen tapahtuu sulattamalla muovia kerroksittain toistensa päälle. Oletetaan, että tulostettu kappale on lujuusominaisuuksiltaan heikompaa, kuin puristettu kappale. Tulostussuunnalla oletetaan olevan suuri merkitys materiaalin ominaisuuksiin, sillä kerrosten väliin muodostuu epäjatkuvuuskohtia. Sauvan on helppo revetä erityisesti, kun kappale on tulostettu siten, että kerrosten muodostamat tasot ovat voiman suhteen kohtisuorassa. Tässä tapauksessa myös venymän oletetaan olevan pienempi. 3Dtulostetuille muoveille ei ole vielä määritetty vetokoestandardia, joten käytämme mittauksissa ruiskupuristetulle muoville tarkoitettua standardia ISO 527. [1] Tutkimuksen tavoitteena on määrittää ensin vetolujuus ruiskupuristetulle ABS-muoville, joka toimii vertailukohtana 3D-tulostetuille muoveille. Testistä saaduista tuloksista voidaan määrittää murtolujuuden ja venymän muutos verrattuna puristettuun materiaaliin. Eräässä aiemmassa tutkimuksessa on päästy kuvan 1 mukaisiin murtolujuuksiin. Saatujen mittaustulosten perusteella pystysuunnassa vetolujuus laskee noin 65% puristettuun materiaaliin verrattuna ja vaakatasossa tulostetun materiaalin vetolujuus laskee noin 21% [2]. Kuva 1 Aiemmassa tutkimuksessa saatuja tuloksia. [1] Tutkimuksemme antaa suuntaa 3D-tulosteiden kestävyydelle, jos tulostettava kappale joutuu jonkin rasituksen alaiseksi. Tällä hetkellä ei ole tarjolla standardin mukaisia määritelmiä tulostetun materiaalin ominaisuuksille. Tekemämme tutkimus tulee antamaan suunta-arvoja siitä, miten 3D-tulostettu muovi käyttäytyy niin venymän, kuin lujuudenkin suhteen. 3
2 Tutkimusmenetelmä Vetokokeen avulla pyritään selvittämään tulostettujen kappaleiden lujuusominaisuudet. Koekappaleina käytetään ABS-muovista tulostettuja standardikokoisia ja -muotoisia sauvoja. Vetokoesauvat ovat keskeltä kapeampia ja reunasta leveämpiä, jotta kiinnittäminen onnistuu vetolaitteeseen ja kappale saadaan katkeamaan koesauvan keskiosasta. Kuva 2 Vetokoesauva 2.1 Teoreettinen tausta Vetokoetta käytetään materiaalin lujuuden ja sitkeyden määrittämiseksi. Vetokokeessa mitataan koekappaleeseen kohdistuvaa voimaa ja siitä aiheutuvaa venymää. Tulokset esitetään jännitysvenymäkäyrä. Kuvassa 3 on esitetty polyamidi 6,6:n jännitys-venymäkäyrä. [3] Kuva 3 Polyamidi 6,6:n jännitys-venymäkäyrä. [2] Materiaalin joutuessa jännityksen alaiseksi tapahtuu deformaatiota eli muodonmuutosta. Piirroksen lineaarinen osuus kuvaa elastista muodonmuutosta eli muodonmuutosta josta materiaali palautuu alkuperäiseen muotoonsa jännityksen poistuttua. Hooken laki on voimassa elastisen jännityksen alueella kaavan 1 mukaan. Kimmokerroin E saadaan jännitys-venymäpiirroksen kulma-kertoimesta. E = σ ε, (1) 4
missä E on kimmokerroin eli Youngin moduuli, σ on jännitys ja ε on venymä. [2] Vetokokeessa materiaalin vetokoekappale on standardikokoinen ja -muotoinen. Ennen kokeen aloittamista vetokoekappaleeseen merkitään pituussuunnassa kuvan 4 mukaisesti kaksi pistettä ja mitataan näiden välinen pituus sekä koekappaleen poikkileikkauksen pinta-ala. Vetokoelaite venyttää vetokoesauvaa vakionopeudella kunnes kappale murtuu. Koekappaleeseen kohdistuva voima ja venymä mitataan säännöllisin väliajoin. [3] Kuva 4 Esimerkkikuva vetokoesauvasta. [4] Venymä mitataan esimerkiksi venymämittarilla tai mikrometrillä ja määritetään siten koekappaleen suhteellinen venymä. Suorittamassamme kokeessa jännitys-venymäkokeet tehdään tietokoneohjatulla koneella, joka ilmoittaa tarkasti kullakin venymällä esiintyneen jännityksen. Kappaleen venymä saadaan laskettua käyttäen kaavaa 2. δ = L L 0, (2) missä δ on venymä, L on välin pituus venytettynä ja L 0 on välin alkuperäinen pituus. [5] Mitatuiden arvojen avulla voidaan piirtää kuvan 1 mukainen jännitys-venymäpiirros eli σ ε piirros. Insinöörivenymää mitattaessa oletetaan, että jännitys on vakio sauvan mittauspisteiden välillä. Mittaustietojen perusteella voidaan laskea nimellinen ns. insinöörijännitys kaavan 3 mukaan. σ = P A 0, (3) missä σ on nimellinen jännitys, P on koekappaleeseen vaikuttava paine ja A 0 on koekappaleen poikkileikkauksen pinta-ala. [4] Insinöörijännitys antaa tulokseksi hieman todellista pienemmän jännityksen, koska todellisuudessa kappaleen venyessä sen poikkipinta-ala pienenee. Käytännön syistä poikkipinta-alan muuttumista on kuitenkin hankala mitata kokeen aikana, joten yleensä tutkitaan insinöörijännitystä. Oletetaan, että venymä on vakio poikkileikkauksen mittauspisteiden välillä. Nimellinen ns. insinöörivenymä saadaan venymämittauksesta kaavalla 4. ε = δ L 0, (4) missä ε on nimellinen venymä, δ on venymä ja L 0 on koekappaleen välipituus. [5] 5
2.2 Käytännön koejärjestelyt Käytännön kokeet tehdään polymeeriteknologia laitoksen laboratoriossa Instron 33R4204 vetokoneella. Vetokoneessa käytetään 1 kn mittakennoa, jotta tulokset ovat mahdollisimman luotettavia. 1 kn mittakennoon päädyttiin FE-analyysin (suom. FiniteElement, elementtimenetelmä)tuloksien ja kirjallisuudessa esiintyvien arvojen pohjalta. Käyttämällemme koesauvalle tehdyn elementtimentelmä analyysin perusteella 55 MPa:n jännitys materiaalissa saavutetaan vajaan 850 N voimalla. Elementtimenetelmä analyysin tulokset on nähtävissä kuvassa 5. Kirjallisuudesta saadaan arvio ABS-muovin myötörajasta ja se on noin 55 MPa [6]. Kuva 5. Vetosauvaan kohdistuvat von Mises jännitykset 850 N kuormalla. 6
Vetokone on anturoitu siten, että tulokset saadaan luettua ja analysoitua tietokoneella. Tämän lisäksi jokainen vetosauva mitataan ennen vetämistä ISO 527 standardin mukaisesti kolmesta kohdasta vetoaluetta. Nämä tulokset dokumentoidaan mittauspöytäkirjaan. Mittausten yhteydessä sauvat numeroidaan mittauspöytäkirjaa vastaavasti esimerkiksi permanent-tussilla. [1] Huone, jossa kokeet tehdään on ilmastoitu ja sen lämpötila ja kosteusprosentit ovat likimain vakiot. Koesauvat videään mittaushuoneeseen ISO 291 standardin mukaan 88 tuntia ennen kokeiden suorittamista, jotta kappaleiden lämpötila ja kosteus ehtii stabiloitua ympärisötn kanssa. [1] Koesauvoja tehdään kuusikappaletta jokaista sarjaa kohden. Jokaiseen koesarjaan tehdään yksi varakappale, jotta mahdollisen virheen sattuessa koe pystytään uusimaan. Ensimmäinen koesarja on ruiskuvaletut koesauvat, toinen koesarja vaakatasoon tulostettu sauva ja kolmas koesarja on pystyyn tulostetut koesauvat. Kuvassa 6 on havainnollistettu kerrosten muodostumista pysty- ja vaakatasossa tulostettuna. Kuva 6. Vasemmalla on esitetty miten kerrokset muodostuvat tulostettaessa sauva pystytasoon ja oikealla vaakatasoon. 3 Mittaussuunnitelma Mittaukset suoritetaan muovin lujuusominaisuuksien määrittämistä käsittelevän ISO 527 - standardin mukaisesti. 3D-tulostettu muovi on materiaalina anisortooppinen eli suunta, jossa materiaalia kuormitetaan vaikuttaa materiaalin lujuusominaisuuksiin. Anisotrooppisen tason on ajateltu kulkevan tulostettujen kerrosten suuntaisesti, joten mittaukset suoritetaan ko. tason suuntaisesti ja kohtisuoraa tason suhteen. Kaikista mittauksista halutaan 5 kappaletta hyväksyttyjä tuloksia. [1] 3D-tulostettujen sauvojen vertailukohtana käytetään täsmälleen samasta 3D-tulostusmuovista ruiskupuristamalla valmistettuja sauvoja. Puristetut sauvat ovat myös mitoiltaan 3D-tulostettujen sauvojen suuruiset, jotta tulokset olisivat mahdollisimman vertailukelpoisia. Vetokoe on ISO 527 - standardin mukaan hyväksytty, mikäli kappale ei pääse luistamaan kiinnitysleukojen välissä, hajoa 10 mm etäisyydellä kiinnitysleuasta tai hajoa ennen aikaisesti jonkin muun ilmeisen vian 7
vuoksi. Vetokokeita ei kuitenkaan saa hylätä muista syistä, sillä mahdollisesti tapahtuva sauvan ennenaikainen hajoaminen kuvaa materiaaliominaisuuksien luonnollista vaihtelua. [1] Vetokokeet suoritetaan käyttämällä vetonopeutena 1 mm/min, jolloin vetokokeen oletetaan kestävän ruiskupuristetulle koesauvalle noin 15 min. Koesauvojen kiinnityksessä on huomioitava, että kappaleet kiinnitetään kiinnitysleukoihin siten, että kappaleen keskiakseli on mahdollisimman tarkasti vetävän voiman suuntainen. Varsinaiset mittaustulokset tallennetaan koneen muistiin ja identifioidaan vedetyn kappaleen numerolla, jotta tulokset pystytään myöhemmässä vaiheessa linkittämään mittauspöytäkirjan tuloksiin. 4 Suurimmat haasteet Tässä kokeessa suurimmaksi haasteiksi muodostuu luultavasti koesauvojen valmistaminen. Olisi tärkeää saada 3D-tulostetuista sauvoista mittatarkkuudeltaan tarpeeksi hyviä ja tasalaatuisia. Tulostettaessa sauvoja vaakatasoon ongelmaksi voi muodostua sauvan irtoaminen tulostusalustasta. Irtoaminen tapahtuu ABS-muovin lämpölaajenemisen vuoksi, käytännössä kappaleen jäähtyessä muovi kutistuu ja koesauva vääntyy kaarevaksi. Kappaleen kaareutumista pyritään ehkäisemään käyttämällä tulostuksessa lämmitettyä tulostusalustaa sekä kappaleen ja tulostusalustan välistä tartuntaa parantavia aineita, kuten muoviasetoniseosta tai karkeapintaista teippiä. Etenkin pystyasennossa tulostetun sauvan venymää mitattaessa ongelmaksi voi muodostua myös sauvan ennenaikainen hajoaminen kiinnityskohdan vierestä. Mahdollisen ennenaikaisen katkeamisen ehkäisemiseksi olemme ajatelleet käyttää mahdollisimman vähän voimaa sauvan kiinnityksessä. Tarpeen vaatiessa voimme myös parantaa koesauvan kestävyyttä liuottamalla kerrokset yhteen kiinnityspisteiden välittömästä läheisyydestä, siten ettei liuottaminen vaikuta koetuloksiin. Kerrosten yhteenliuottamiseen voi käyttää esimerkiksi asetonia pensselillä levitettynä. Mittatarkkojen koesauvojen valmistaminenkin voi aiheuttaa omat haasteensa, sillä tulostettavat sauvat valmistetaan edullisilla kotikäyttöön tarkoitetulla 3D-tulostimella. Sauvojen mittatarkkuudesta aiheutuvat virheet pyritään minimoimaan ISO 527 - standardin mukaisilla leveyden ja paksuuden mittauksilla, jotka kirjataan liitteenä 1 olevaan mittauspöytäkirjaan. 8
5 Aikataulu Tavoite Deadlinet Viikko 1 Joululoma Viikko 2 Kurssi alkaa, mietitään mahdollisia kokeita. Viikko 3 Päätetään testi, jota ruvetaan suorittamaan ja muodostetaan ryhmät. Viikko 4 Otetaan mahdollisista suorituspaikoista selvää Viikko 5 Otetaan mahdollisista suorituspaikoista selvää Viikko 6 Otetaan mahdollisista suorituspaikoista selvää Koesuunnitelmien analysointi Viikko 7 Koesuunntileman kirjoitus Viikko 8 Vetokoe sauvojen suunnittelu ja valmistus Koesuunntileman palautus Viikko 9 Vetokoesauvojen valmistus jatkuu. (Mittausmenetelmien esitykset). Koesuunntielmien arviointi Viikko 10 Suoritetaan vetokokeet, tulosten analysointi. (Mittausmenetelmien esitykset). Koesuunnitelmien pohdinta Viikko 11 Suoritetaan vetokokeet, tulosten analysointi. (Mittausmenetelmien esitykset). Viikko 12 Raportti Viikko 13 Raportti Viikko 14 Raportti, (tulosten esitykset) Viikko 15 Raportti, (tulosten esitykset) Viikko 16 Raportti Viikko 17 Raportti Raportin palautus 6 Turvallisuustarkastelu Kokeet suoritetaan sisätiloissa lukitussa huoneessa, jolloin ulkopuolisten häiriötekijöiden vaikutus turvallisuuteen on lähes olematon. Ennen kokeiden suoritusta tulemme saamaan koneen käyttökoulutuksen, jotta tiedämme miten kone toimii ja mitä turvallisuustekijöitä meidän tulee ottaa huomioon. Suojalaseja tulee pitää päässä aina mittauksia tehdessä, sillä muovista voi irrota pieniä sirpaleita, jotka voivat vahingoittaa silmiä. Aina ennen testiä tai koneen leukojen siirtämistä tulee varmistaa, että koneen toiminta-alueella ei ole mitään ylimääräistä, kuten käsiä tai hiuksia. Koneen ympäristö on myös siivottava ennen ja jälkeen käytön, jotta vältytään tapaturmilta. 7 Virhetarkastelu Kappaleiden muoto aiheuttaa pienen virheen mittaustuloksiin, sillä tulostetut sauvat eivät tule olemaan täysin samanlaisia, kuin on suunniteltu. Tätä virhettä yritetään minimoida mittaamalla jokainen sauva kolmesta kohdasta ja määrittämällä mittausten keskiarvo, kuten standardissa ISO 527 on ohjeistettu. Sauvan asemointi leukojen väliin voi vaikuttaa mittaustuloksiin, mikäli sauvan asemointi ei onnistu täydellisesti. Sauvat tarkastetaan silmämääräisesti naarmujen, kuoppien, kohoumien ja vääntymän varalta, koska kaikki edellä mainitut ovat epäjatkuvuuskohtia materiaalissa, jotka heikentävät sauvan ominaisuuksia. Myös mittalaitteiden tarkkuus vaikuttaa virheen suuruuteen. [1] On myös muistettava, että todellisuudessa jotkin materiaaliominaisuudet, kuten jännitys ja sen perusteella laskettava materiaalin kimmokerroin ovat hieman suurempia, kuin kokeistamme saatavat arvot. Arvojen poikkeavuus johtuu siitä, että kokeessa ei ole huomioitu mitattavan kappaleen venytyksestä johtuvaa poikkipinta-alan pienenemistä. 9
Lähteet [1] ISO 527 Plastics Determination of tensile properties. 1993. [2] The faculty of the Department of Mechanical and Aerospace Engineering. The use of additive manufacturing technologies for the design and development of a cubesat. Viitattu 13.02.2014. URL: http://www.engr.sjsu.edu/nikos/msae/pdf/napoli.s13.pdf. [3] Aalto Yliopisto. Materiaalitieteen perusteet, harjoitus 2. Viitattu 12.02.2014. URL: https://noppa.aalto.fi/.../s-113_2110_lh2_ratkaisut.2110_lh2-ratkaisut.pdf. [4] Tampereen teknillinen yliopisto. Polymeerien ominaisuudet. Viitattu 12.02.2014. URL: http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_4_2.php. [5] Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Materiaalien mekaaniset ominaisuudet. Viitattu 12.02.2014.URL: https://noppa.lut.fi/noppa/opintojakso/bk80a0401/.../luento_1_3.pdf. [6] Matweb, Overview of materials for Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Molded Viitattu: 16.2.2014 URL: www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=eb7a78f5948d481c9493a67f0d089646&ckck=1 10
Liite 1 Mittauspöytäkirja Pystysuuntaan tulostettu Sauva 1 Sauva 2 Sauva 3 Sauva 4 Sauva 5 Keskiarvo Leveys 1 mm Leveys 2 mm Leveys 3 mm Paksuus 1 mm Paksuus 2 mm Paksuus 3 mm Paino g Silmämääräinen tarkistus * Vaakasuuntaan tulostettu Sauva 6 Sauva 7 Sauva 8 Sauva 9 Sauva 10 Keskiarvo Leveys 1 mm Leveys 2 mm Leveys 3 mm Paksuus 1 mm Paksuus 2 mm Paksuus 3 mm Paino g Silmämääräinen tarkistus * Ruiskupuristettu Sauva 11 Sauva 12 Sauva 13 Sauva 14 Sauva 15 Keskiarvo Leveys 1 mm Leveys 2 mm Leveys 3 mm Paksuus 1 mm Paksuus 2 mm Paksuus 3 mm Paino g Silmämääräinen tarkistus * *) tarkistetaan silmämääräisesti naarmujen, kuoppien, kohoumien ja vääntymän varalta 11