H3_koesuunnitelma 3D-muovit - MyCourses - Aalto

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.
𝜎
𝐸= ,
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 − 𝐿0 ,
(2)
missä δ on venymä, L on välin pituus venytettynä ja 𝐿0 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
,
𝐴0
(3)
missä 𝜎 on nimellinen jännitys, 𝑃 on koekappaleeseen vaikuttava paine ja 𝐴0 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
,
𝐿0
(4)
missä 𝜀 on nimellinen venymä, 𝛿 on venymä ja 𝐿0 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
Viikko 1
Viikko 2
Viikko 3
Viikko 4
Viikko 5
Viikko 6
Viikko 7
Viikko 8
Viikko 9
Viikko 10
Viikko 11
Viikko 12
Viikko 13
Viikko 14
Viikko 15
Viikko 16
Viikko 17
Tavoite
Joululoma
Kurssi alkaa, mietitään mahdollisia kokeita.
Päätetään testi, jota ruvetaan suorittamaan ja muodostetaan ryhmät.
Otetaan mahdollisista suorituspaikoista selvää
Otetaan mahdollisista suorituspaikoista selvää
Otetaan mahdollisista suorituspaikoista selvää
Koesuunntileman kirjoitus
Vetokoe sauvojen suunnittelu ja valmistus
Vetokoesauvojen valmistus jatkuu. (Mittausmenetelmien esitykset).
Suoritetaan vetokokeet, tulosten analysointi. (Mittausmenetelmien esitykset).
Suoritetaan vetokokeet, tulosten analysointi. (Mittausmenetelmien esitykset).
Raportti
Raportti
Raportti, (tulosten esitykset)
Raportti, (tulosten esitykset)
Raportti
Raportti
Deadlinet
Koesuunnitelmien analysointi
Koesuunntileman palautus
Koesuunntielmien arviointi
Koesuunnitelmien pohdinta
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
https://noppa.aalto.fi/.../S-113_2110_lh2_ratkaisut.2110_lh2-ratkaisut.pdf.
12.02.2014.
URL:
[4] Tampereen teknillinen yliopisto. Polymeerien
http://www.ims.tut.fi/vmv/2005/vmv_4_4_2.php.
12.02.2014.
URL:
ominaisuudet.
Viitattu
[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
Sauva 1
Pystysuuntaan tulostettu
Sauva 2 Sauva 3 Sauva 4 Sauva 5
Sauva 6
Vaakasuuntaan tulostettu
Sauva 7 Sauva 8 Sauva 9 Sauva 10 Keskiarvo
Keskiarvo
Leveys 1 mm
Leveys 2 mm
Leveys 3 mm
Paksuus 1 mm
Paksuus 2 mm
Paksuus 3 mm
Paino g
Silmämääräinen
tarkistus *
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