3D-tulostettujen ja ruiskuvalettujen materiaalien lujuusominaisuuksien testaus

Abstract

Opinnäytetyön toimeksiantajana toimi Tampereen ammattikorkeakoulu. Työn tavoitteena oli tuottaa vertailukelpoisia isku- ja vetolujuusarvoja Tampereen ammattikorkeakoulun polymeerilaboratorion harjoitustöihin sekä tarkastella mahdollisuuksia 3D-tulostuksen sisällyttämiseen kyseiselle opintojaksolle. Työssä perehdyttiin 3D-tulostuksen, polymeerien sekä lujuusominaisuuksien teoriaan. Työssä tutkittiin polypropeenista ja polyeteenistä ruiskuvalulla valmistettuja näytekappaleita sekä kahta 3D-tulostettua materiaalia, jotka olivat polylaktidi ja glykolimodifioitu polyeteenitereftalaatti. 3D-tulostetuista kappaleista tutkittiin myös tulostuksessa käytetyn täyttöasteen vaikutusta lujuusominaisuuksiin. Työssä tarvitut 3D-tulostetut näytekappaleet mallinnettiin sekä tulostettiin opinnäytetyön aikana, mutta ruiskuvaletut näytekappaleet oli valettu aikaisemmin Tampereen teknillisen yliopiston henkilökunnan toimesta. Materiaalien lovi-iskulujuus määritettiin Charpy menetelmällä kolmessa eri lämpötilassa. Vetolujuutta mitattiin kolmella eri vetonopeudella.

Opinnäytetyön kokeellisessa osuudessa saadut mittaustulokset todettiin vertailukelpoisiksi. 3D-tulostettujen näytekappaleiden täyttöasteen pienentäminen odotetusti heikensi kappaleen lujuusominaisuuksia. Materiaalien vetolujuuskäyrät vastasivat käyttäytymiseltään ja muodoltaan materiaalien tyypillisiä piirteitä, joita kirjallisuudessa on esitetty. Ruiskuvalettujen materiaalien kohdalla lämpötila vaikuttaa iskulujuuteen kirjallisuudessa esitetyn teorian mukaisesti, mutta 3D-tulostetuille materiaaleille tehdyistä iskulujuustuloksista ei ole varmuutta tehtyjen tutkimusten vähäisyyden vuoksi.

Opinnäytetyö onnistui suunnitellusti ilman suurempia vastoinkäymisiä. Saatuja tuloksia on mahdollista hyödyntää tulevilla opintojaksoilla. Myös tämän työn aikana mallinnettuja näytekappaleita voidaan käyttää, jos 3D-tulostus sisällytetään opintojaksoon. 3D-tulostus todettiin hyödylliseksi vaihtoehdoksi näytekappaleiden valmistamiseen ruiskuvalamisen rinnalle. Työn aikana huomattiin kehityskohteita, joista olisi hyödyllistä toteuttaa jatkotutkimuksia. Jatkotutkimuksia suunnitellessa kannattaisi harkita esimerkiksi eri täyttöasteiden ja -kuvioiden käyttöä sekä suurempia lämpötilaeroja iskulujuusmittauksissa.

This thesis was commissioned by Tampere University of Applied Sciences. The aim was to produce comparable impact and tensile strength values for future polymer laboratory works and to examine the benefits of including 3D printed materials as samples. The specimens tested were an injection moulded PP-H and PE-LD as well as a 3D printed PLA and PETG. The effects of infill percentages were also examined on the printed specimens. The printed specimens were produced during the thesis. The injection moulded specimens were previously cast by the staff of Tampere University of Technology. The impact strength was determined using the Charpy method at three temperatures. The tensile strength was measured at three different testing speeds.

The obtained measurements were found to be comparable to literary values. Reducing the infill percentage decreased the sample’s strength. The obtained stress-strain curves exhibited characteristic behaviours as described in literature. Temperature affected the injection moulded samples in accordance with the theory. There is some uncertainty regarding the printed materials impact strength results due to limited research done.

The results obtained during this thesis could be utilized in the future as reference values and work instructions. The 3D print models could also be used, if printed samples are included as test specimens in the future courses. Printing was found to be a useful alternative for producing samples. For further research it can be beneficial to study different infills and larger temperature differences.