Digital learning

Hvad betyder Notched Izod på 14 J/m, post-cured og ASTM D 256-10 egentlig? Hvad er forskellen mellem styrke og modul? Hvordan forholder de sig til almindelige materialer, som vi støder på hver dag, og hvorfor er det vigtigt for dig?

Materialeegenskaber som kemiske, optiske, mekaniske, termiske eller elektriske egenskaber angiver, hvordan et givent materiale opfører sig under bestemte forhold. Kvantificeret kan disse egenskaber hjælpe dig med at vurdere fordelene ved et materiale frem for et andet til en specifik brugssituation.

I denne blog beskriver vi de mest almindeligt anvendte mekaniske og termiske egenskaber og deres betydning for specifikke anvendelser. Vi beskriver også, hvordan 3D-printede materialer kan sammenlignes med plast fremstillet med konventionelle metoder. Det vil hjælpe dig med at træffe det rigtige valg af materialer til din 3D-printer.

Vigtigste mekaniske og termiske egenskaber for 3D-dele

Lad os starte ved begyndelsen: de forskellige egenskaber, og hvorfor de er så vigtige.

• Trækstyrke: Et materiales modstandsdygtighed over for brud under spænding. Dette er den grundlæggende egenskab, der angiver en dels ultimative styrke. Høj trækstyrke er vigtig for strukturelle, bærende, mekaniske eller statiske dele.
• Elasticitetsmodul: Et materiales modstandsdygtighed over for strækning under belastning (stivhed). Dette er en indikator for enten stivhed (højt modul) eller fleksibilitet (lavt modul) i et materiale.
• Stræk: Et materiales modstandsdygtighed over for brud, når det strækkes. Dette hjælper dig med at sammenligne fleksible materialer baseret på, hvor meget de kan strækkes. Angiver også, om et materiale vil deformere først eller gå i stykker pludseligt.
• Bøjningsstyrke: Et materiales modstandsdygtighed over for brud, når det bøjes. Dette svarer til trækstyrke, men viser styrken i bøjningstilstand. Det er også en god indikator for, om et materiale er isotropisk (homogent).
• Bøjningsmodul: Et materiales modstandsdygtighed over for bøjning under belastning. Det giver en god indikator for enten et materiales stivhed (højt modul) eller fleksibilitet (lavt modul).
• Slagstyrke: Et materiales evne til at absorbere stød og stødenergi uden at gå i stykker. Dette indikerer sejhed og hjælper dig med at afgøre, om en del vil holde, hvis den falder til jorden eller kolliderer med et andet objekt.
• Hårdhed (Shore): Et materiales modstandsdygtighed over for deformation. Dette hjælper dig med at bestemme den rigtige “blødhed” for gummi og elastomerer til bestemte anvendelser.
• Kompression: Permanent deformation, der er tilbage, når materialet er komprimeret. Dette er vigtigt for elastiske anvendelser og indikerer, om et materiale hurtigt fjedrer tilbage til sin oprindelige form.
• Rivestyrke: Et materiales modstandsdygtighed over for dannelse af snit under spænding. Dette er vigtigt for fleksible materialer som gummi eller tekstiler. Viser modstandsdygtighed over for rivning.
• Vandabsorption: Mængden af vand, der absorberes under bestemte forhold. Dette er især vigtigt under forarbejdning af råmaterialer. Høj vandabsorption eller fugtighed kan føre til dårlige materialeegenskaber i termoplast.
• Varmeafbøjningstemperatur: Temperatur, hvor en prøve deformeres under en given belastning. Dette indikerer, om et materiale er egnet til anvendelser ved høje temperaturer.
• Vicat blødgøringstemperatur: Temperatur, hvor materialet bliver mærkbart blødt. Dette bruges til materialer, der ikke har noget klart smeltepunkt. Ved højtemperaturanvendelser hjælper den med at bestemme den øvre temperaturgrænse for kontinuerlig brug.
• Termisk ekspansion: Et materiales tendens til at udvide sig (eller trække sig sammen) som reaktion på en temperaturændring. Dette er vigtigt for anvendelser, hvor en formændring som følge af temperatur er uacceptabel eller ønskelig.

Materialeegenskaber måles mest pålideligt ved hjælp af standardiserede testmetoder. Mange af disse metoder er dokumenteret af deres respektive brugergrupper og udgivet af ASTM International. Selvfølgelig vil de nøjagtige måleværdier for dine dele afhænge af designet. Men ved at sammenligne standardiserede tests får du en idé om, hvordan din del vil opføre sig, når den er fremstillet af forskellige materialer med forskellige metoder. Du vil sandsynligvis støde på disse målinger og standarder på materialedatablade.

Nu hvor vi har en klar forståelse af det grundlæggende, ser vi nærmere på de enkelte materialeegenskaber. Vi dækker benchmarks for materialer fremstillet ved hjælp af konventionelle fremstillingsmetoder samt almindelige 3D-printteknologier som Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithography (SLA), Selective Laser Sintering (SLS) og PolyJet.

Trækstyrken af en 3D-del

En af de vigtigste materialeegenskaber er trækstyrke, et materiales modstandsdygtighed over for brud under belastning. Det er en af de første materialeegenskaber, ingeniører kigger på, og den står øverst på de fleste materialedatablade. Kombineret med tilstrækkelig duktilitet indikerer trækstyrken også et materiales sejhed. Nogle materialer brækker meget skarpt i skørt brud, mens mere duktile materialer, såsom de fleste plastmaterialer og metaller, undergår en vis deformation. For at forstå denne adfærd tydeligt suppleres trækstyrkedata normalt med et spændings-tøjningsdiagram.

Materialer med høj trækstyrke findes typisk i strukturelle, mekaniske eller statiske komponenter, hvor brud er uacceptabelt. Eksempler er byggeri, bil- og rumfart samt wirer, reb, skudsikre veste og meget mere. I dag er 3D-print så avanceret, at det kan give samme eller endda højere trækstyrke end traditionel sprøjtestøbt plast som polypropylen og ABS.

Elasticitetsmodulet for 3D-dele

Youngs elasticitetsmodul er et mål for et materiales stivhed under trækbelastning. Jo højere elasticitetsmodul, jo stivere er materialet. I den øvre ende af skalaen kvantificerer elasticitetsmodulet et materiales formfastholdelse under belastning. Det er en af de første egenskaber, man skal undersøge, når man vælger materialer til bærende mekaniske og strukturelle komponenter, der skal holde sig inden for deres geometriske specifikationer under belastning.

I modsætning hertil indikerer et lavt elasticitetsmodul et elastisk materiale. Så i den lave ende af skalaen giver elasticitetsmodulet dig mulighed for at forstå elasticiteten af et blødt og fleksibelt materiale.

Forlængelse af en 3D-del

Den grad, hvormed et materiale forlænges ved brudpunktet, kaldes forlængelse. Den defineres som forholdet mellem forlængelsen og den oprindelige, ubelastede længde og udtrykker et materiales evne til at modstå formændringer uden at knække. Stive materialer, som f.eks. skør-hård plast, har typisk en lav brudforlængelse. I modsætning hertil kan nogle bløde, elastiske materialer strække sig flere gange deres egen længde, før de knækker.

Når man vælger et fleksibelt materiale til en bestemt anvendelse, angiver forlængelsen, hvor meget det kan strækkes. Forlængelse er også vigtig i byggeri og arkitektur, hvor strukturer skal deformeres mærkbart i stedet for at kollapse med det samme. Hvis deformation kan udledes af et materiales trækstyrke og trækmodul, er det derfor et delvist overflødigt mål.

Bøjningsstyrken af en 3D-del

Ligesom trækstyrke beskriver bøjningsstyrke et materiales modstandsdygtighed over for brud under belastning. Forskellen ligger i typen af belastning. Bøjningsstyrke involverer en bøjningsbelastning, som repræsenterer både et materiales tryk- og trækstyrke.

For de fleste plastmaterialer er bøjningsstyrken og trækstyrken tæt på hinanden. Hvis et materiale er isotropisk (homogent), er bøjningsstyrken lig med trækstyrken. På grund af de stærke kemiske bindinger i 3D-print er SLA-dele isotrope. Det er en stor fordel i forhold til andre 3D-printteknologier, da delene har samme styrke uanset retning.

Bøjningsmodulet for en 3D-del

Bøjningsmodul er et mål for et materiales stivhed i bøjningsretningen. Et højt bøjningsmodul indikerer et stivere materiale. Elastiske materialer har på den anden side et lavere bøjningsmodul. Ligesom træk- og bøjningsstyrke er træk- og bøjningsmodul tæt forbundet og adskiller sig normalt ikke meget fra hinanden.

Bøjningsmodul er et vigtigt mål for anvendelser som stålfjedre – især bladfjedre – og støttebjælker eller konstruktionselementer.

Effektværdi af en komponent

Materialer kan reagere anderledes på statiske belastninger end på pludselige stød. Evnen til at absorbere denne pludselige energi under plastisk deformation er et materiales sejhed. Slagprøver, defineret som den mængde energi, et materiale kan absorbere under et pludseligt slag eller stød uden at gå i stykker, er en god indikator for sejhed. Skøre materialer har lav sejhed på grund af den lille mængde plastisk deformation, de kan tolerere. Ved lavere temperaturer falder den stødenergi, som et materiale kan absorbere, generelt også.

Slagfasthed er en vigtig faktor i mange applikationer, fra kabinetter til skærme og sikkerhedsbriller. Izod-slagtesten og Charpy-slagtesten er to almindelige test for slagfasthed, der kun adskiller sig i måden, de måles på, hvor førstnævnte er ASTM-standarden.

Hårdheden (Shore) af en 3D-del

Hårdhed defineres som et materiales modstandsdygtighed over for permanent formændring, når der påføres en trykkraft. I praksis er hårdhed synonymt med ridsefasthed og modstandsdygtighed over for indrykning og elastisk deformation. Modsat hvad man skulle tro, udelukker hårdhed og sejhed hinanden. Hårde materialer er i sagens natur skøre. Sejhed kræver på den anden side, at et materiale har en vis duktilitet (deformerbarhed).

Selvom en lav hårdhed generelt indikerer et blødt materiale, bliver ovenstående definition af hårdhed mere og mere upraktisk, jo blødere det materiale, der testes, er. Det er her, Shore-durometeret (eller Shore-hårdheden) kommer ind i billedet – en testmetode og definition til måling af hårdheden (eller blødheden) af bløde, fleksible og elastiske materialer som gummi, elastomerer og visse polymerer.

I praksis bruges Shore-durometeret ofte til at identificere egnede materialer til bløde overflader, såsom et håndtag eller den rigtige gummi til en bestemt pakning. Durometeret er også et vigtigt mål for ruller og massive dæk. En høj Shore-hårdhed indikerer et hårdere og mindre fleksibelt materiale. En lavere værdi indikerer på den anden side et blødere materiale.

Hvis et datablad ikke angiver en værdi for hårdhed, kan et lavt trækmodul også være en god indikator for et elastisk og blødt materiale. ASTM-teststandarden indeholder i alt 12 skalaer, hvor A-skalaen er den mest almindelige for blødere plast og D-skalaen for hårdere.

Kompressionssættet for en 3D-del

Kompressionssæt bruges normalt til at beskrive den permanente deformation, der er tilbage i et blødt materiale, som f.eks. en elastomer, efter at en kompressionskraft er fjernet.

Materialer med et højt kompressionssæt er uegnede til anvendelser, hvor en del forventes hurtigt at springe tilbage til sin oprindelige form, efter at en kompressionskraft er fjernet, såsom fjedre. Til dæmpere eller pakninger kan et højt kompressionssæt være acceptabelt eller ønskeligt.

Rivestyrken af en 3D-del

Rivestyrke beskriver et materiales modstandsdygtighed over for revner, især over for dannelse af snit og deres udbredelse gennem materialet under belastning. Materialer med lav rivestyrke har typisk dårlig modstandsdygtighed over for slid og vil hurtigt svigte, når de bliver beskadiget.

Rivstyrke er en vigtig faktor, når man vælger fleksible materialer som gummi eller tekstiler til højspændingsopgaver. Materialer, der bruges til spændte membraner, tromler eller presenninger, elastikker og bungees, skal kunne modstå rivning, selv efter den første skade, Disse materialer kræver derfor høj rivestyrke.

Vandabsorption af 3D-dele

Plast absorberer en vis mængde vand fra fugtig luft, eller når det nedsænkes i vand. Selvom nogle plasttyper er mere hygroskopiske end andre, er denne lille vandabsorption sjældent vigtig for de endelige plastprodukter. Det spiller dog en vigtig rolle i forarbejdningen af råmaterialer og i plastdelenes varmebestandighed.

Ved opvarmning over en vis temperaturgrænse – normalt omkring 150-160 °C – gennemgår mange termoplaster en kemisk reaktion kaldet hydrolyse ved tilstedeværelse af fugt. I denne proces splittes lange molekylære kæder til kortere, og materialet bliver svagere. Hvis et termoplastisk råmateriale med høj vandabsorption udsættes for fugt før 3D-printning eller sprøjtestøbning, sker der hydrolyse under processen. Det fører til dårlige materialeegenskaber i den endelige del. Derfor skal termoplastiske råmaterialer med høj vandabsorption opbevares i et tørt miljø.

Mens sprøjtestøbt plast (ABS, nylon, polypropylen) er termoplast, er SLA fotopolymerharpikser termohærdende materialer. De hærdes med en lyskilde i stedet for at smeltes i form og forbliver i en permanent fast tilstand efter hærdning. Som følge heraf er de ikke modtagelige for de negative virkninger af hydrolyse.

Varmeforvrængningstemperaturen (HDT) for en 3D-del

Materialeegenskaber, især træk- og bøjningsmoduler, er bundet til de standardiserede miljøforhold, hvorunder deres testresultater registreres. Forskellige miljøforhold, såsom forskellige omgivelsestemperaturer, kan føre til en betydelig ændring i et materiales ydeevne under belastning. Varmeforvrængningstemperaturen (HDT) angiver den temperatur, ved hvilken et materiale begynder at deformere under en given belastning. En høj HDT er ønskværdig til anvendelser ved høje temperaturer, som f.eks. huse og monteringer til varmeelementer. En høj HDT er også velegnet til dele, der kommer i kontakt med varme væsker eller gasser, f.eks. værktøjer til sprøjtestøbeforme, væskekoblinger, ventiler og dyser.

Vicat-blødgøringspunktet for en 3D-del

I modsætning til andre materialer har plast ikke et skarpt smeltepunkt. Vicat-blødgøringspunktet fungerer som en alternativ definition af det punkt, hvor et materiale begynder at flyde, og udfylder dette hul for plast og termoplast. Ligesom HDT afspejler Vicat-blødgøringspunktet ændringen i et materiales mekaniske egenskaber under påvirkning af varme. Det markerer et temperaturpunkt, hvor en standardiseret nål trykker på en testprøve af en given længde og belastning.

Det bruges normalt til at bestemme den øvre temperaturgrænse for kontinuerlig brug af et materiale i en applikation ved en forhøjet driftstemperatur, der som tommelfingerregel bør være 15 °C under Vicat-gennemblødningspunktet.

Den termiske udvidelseskoefficient for en 3D-del

Materialer har en tendens til at krympe, udvide sig eller på anden måde ændre form under indflydelse af temperaturændringer. Dette fænomen bruges i termiske aktuatorer, termiske sensorer og endda kunstige muskler. I de fleste tilfælde er det dog en uønsket bivirkning, der skal overvindes med en betydelig indsats. Den termiske udvidelseskoefficient er en nyttig indikator til at forudsige og kvantificere, hvordan et materiale ændrer form som reaktion på temperaturændringer. En positiv varmeudvidelseskoefficient indikerer, at materialet udvider sig med stigende temperatur. I modsætning hertil indikerer en negativ koefficient krympning.

Når man arbejder med termoplast, hvad enten det er sprøjtestøbning eller 3D-print, skal man tage højde for materialets termiske udvidelse for at opnå den ønskede form, når emnet er afkølet. For at undgå termiske fænomener som krympning, krumning og vridning, som er en stor begrænsning for at opnå geometrisk præcision via 3D-printteknologier som SLS og FDM, er det tilrådeligt at overveje den termiske udvidelseskoefficient, når man vælger materialer.

Termohærdende 3D-printteknologier, såsom SLA, lider generelt ikke af termisk deformation. Det gør dem til et fremragende valg til dele, der kræver den højeste nøjagtighed og formtroskab.