PLA Filamentinin Rengi 3D Baskı Parçaların Mukavemetini Nasıl Etkiler?

Renk, PLA’nın dayanımını değiştiriyor; ancak çok fazla değil. Daha büyük sürpriz tavlamaydı: gümüş ve beyaz %4 ila %7 oranında çarpılırken doğal renkli PLA %19 oranında şekil değiştirdi.

Yıllar önce, çok dar toleranslara sahip bir parçayı görüşmek üzere bir enjeksiyon kalıplama şirketindeydim. Şirketin sahibi, kullandıkları renge bağlı olarak malzemelerinin çekmesinin ne kadar farklı olduğunu ve mavinin en kötüsü olduğunu söyledi! O günden beri, 3D baskı filamentinde de durumun aynı olup olmadığını merak ettim. Rengi, parçalarımızın performansını etkiliyor mu? Çoğunuz, 3D baskılarınızın dayanımını etkileyen çok sayıda parametre olduğunu biliyorsunuzdur.

• Daha fazla dolgu ve çevre duvarı, daha dayanıklı parçalar demektir.
• Daha yüksek ekstrüzyon sıcaklıkları, daha iyi katman yapışması sağlar; ancak kaliteyi kötüleştirir.

Elbette farklı filament türlerinin pazarı çok geniş; PLA, PETG, Naylon, ABS ve hatta bir malzemenin basılabilirliğini ve ne kadar dayanıklı olduğunu değiştiren PLA+ gibi alt çeşitler var. Ancak satın aldığınız filamentin renginin, parçalarınızın gerçekte ne kadar dayanıklı olduğunu etkileyebileceğini hiç düşündünüz mü?

Filament rengini nasıl alır?

Filament üreticileri malzeme üretirken genellikle renksiz reçine granüllerini toplu olarak satın alır ve daha sonra bunları ekstrüderin içinde, Masterbatch adı verilen bir formdaki az miktarda pigmentle karıştırır. Bu Masterbatch, yüksek konsantrasyonlu pigmentler, parçacıklar, dolgu maddeleri ve diğer katkılardan oluşan granüllerdir; bunlar daha sonra erimiş polimerin içine dağılır. Filamenti renklendirirler ve hatta ona ipeksi bir yüzey, simli ya da mat bir görünüm gibi benzersiz görünümler kazandırabilirler. Renkten sorumlu bileşenler, organik ve inorganik pigmentlerden siyah için karbona, beyaz için titanyum dioksite kadar uzanabilir. Neyin eklendiğine bağlı olarak bu işlem, son malzemenin özelliklerini de değiştirir. Ancak bir filament için mekanik veri sayfası bulabilsek bile belirtilen özellikler genellikle genelleştirilmiştir ve belirli bir renge özgü değildir. Ama farklılıklar var! Ben kendi adıma, malzeme akışı, düzgün katman yapışması ve kaliteyle ilgili sık sık sorun yaşadığım için mat ve ipeksi malzemelerden her zaman uzak durmaya çalışıyorum. Bunun dışında, burada dürüst olayım: Genellikle farklılıkların ihmal edilebilir olduğunu varsaydım ve daha iyi ya da daha kötü performans gösterdiğini düşündüğüm için bir proje veya dayanım testi için hiçbir zaman belirli bir malzeme rengini seçmedim.

Birkaç yıl önce, PLA renginin mekanik özellikler üzerindeki etkisine ilişkin ilk yayını okudum. Kısa süre önce de PLA ve ABS için benzer bir inceleme yapan başka bir makale yayımlandı. Her ikisi de rengin dayanım, rijitlik, darbe direnci ve süneklik üzerinde belirgin bir etkisi olduğunu gösterdi; malzeme rengine bağlı olarak özelliklerde %30’a varan farklılıklar vardı.

Makaleler ve yazılar

• https://www.researchgate.net/publication/336927748_INFLUENCE_OF_MATERIAL_COLOUR_ON_MECHANICAL_PROPERTIES_OF_PLA_MATERIAL_IN_FDM_TECHNOLOGY
• https://www.mdpi.com/1996-1944/15/19/7039
• https://www.researchgate.net/publication/283985639_The_Effects_of_PLA_Color_on_Material_Properties_of_3-D_Printed_Components

Tek bir üreticiden 10 renk

Uyguladıkları yöntemlere tamamen katılmadığım ve elbette bir süredir ben de aynı şeyi merak ettiğim için sonunda kendi kapsamlı incelememi yaptım. Bunun için Alman filament üreticisi dasFilament’ten on farklı renkte PLA filament satın aldım. Onlarla görüşerek her zaman aynı tür granülleri kullandıklarından ve numuneler arasındaki tek farkın kullanılan Masterbatch olduğundan emin oldum. Hiçbir pigment içermeyen doğal PLA, ardından alışılmış siyah ve beyaz renkler ile bir mat siyah çeşidi aldım. Sonra normal bir mavi ve yarı saydam bir mavi de aldım. Aldığım diğer tek özel filament gümüş renkliydi. Geri kalanlar standart kırmızı, yeşil ve sarıydı. Sonuçlarım elbette diğer üreticiler için evrensel olarak geçerli olmayacak; çünkü muhtemelen farklı Masterbatch’ler ve hatta farklı temel reçineler kullanıyorlar. Ancak rengin endişelenmemiz gereken bir şey olup olmadığı konusunda bize bir fikir verecek!

Basmayı seçtiğim numuneler, malzeme dayanımını ve katman yapışmasını test etmek için çekme numuneleriydi. Hepsi 0,4 mm nozulla, 0,2 mm katman yüksekliğinde basıldı. Yatay numunelerde 5 çevre duvarı kullanıldı; böylece test bölgesindeki tüm ekstrüzyon çizgileri yükle aynı doğrultudaydı. Dik duran numunelerde ise bir çevre duvarı ve %100 dolgu kullanıldı. Ardından elbette her malzemeden bir test kancası bastım. Bu, yalnızca daha gerçekçi bir parça olmakla kalmıyor, aynı zamanda çekme ve eğilme yüklerine maruz kalıyor ve bize genel malzeme performansı hakkında çok şey söyleyecek. Bu parçada, mekanik yüke maruz kalan birçok parça için kullandığım bir ayar olan 3 çevre duvarı ve %30 kübik dolgu vardı. Ayrıca 8 çevre duvarı ve %100 dolguyla 3 darbe numunesi bastım; bunlar, hızlı yükleme altında bir malzemenin ne kadar tok olduğu konusunda bize fikir verecek. Son olarak, baskı kalitesinde bir fark olup olmadığını görmek için bir Benchy ve bir tavlama test parçası bastım.

Renklerin oluşan deformasyon miktarında fark yaratıp yaratmadığını gerçekten merak ettiğim için bu parça, baskıdan sonra fırında 100 °C’de tavlanacak. Parçalar sırayla, yani her grup ayrı ayrı basıldı; böylece katman sürelerinin ve soğutmanın çok tutarlı olması sağlandı. Tabii her şeyi düzgünce ayarlayana kadar işler böyle gitmedi; çünkü VORON 2.4’ümün baskı kafasının beklediğimden büyük olduğunu fark ettim. Kafa, parçaları yerlerinden koparıyor ve ilk test baskılarımda katman kaymalarına ve başarısız baskılara yol açıyordu.

Filament renklerini, özellikle de aynı tedarikçiden geldiklerinde, genellikle birbirlerinin yerine kullanılabilir olarak gördüğüm için on baskının tamamında tamamen aynı G-Code’u kullandım. PLA’yı Voron 2.4’ümde yaklaşık 204 °C nozul sıcaklığı, %60 soğutma ve 60 °C tabla sıcaklığıyla, kapılar açıkken, yani yaklaşık oda sıcaklığında bastım. Bazıları filamentlerinin her rengi için ayrı ayar yaptıklarını söyleyecektir; ancak bence bu, farklı renklerin birbirlerinin yerine ne ölçüde kullanılabildiğini bulmayı amaçlayan bu incelemenin amacını boşa çıkarırdı!

PLA ile çalışırken bekleyeceğiniz gibi, parçaların genel kalitesi çok iyiydi. Burada dikkat çeken tek şey, beyaz filamentin baskıdaki her türlü tutarsızlığı çok daha belirgin hâle getirmesiydi. Parçaları nadiren beyaz basmamın nedeni de bu.

Çekme dayanımı ve süneklik

Çekme numunelerimiz, kancalarımız, çentikli darbe numunelerimiz ve son olarak tavlama testimiz hazır. Önce yatay çekme numuneleriyle başladım; bunları kendi yaptığım üniversal test makinesine birbiri ardına yerleştirip kopana kadar sabit hızda yükledim. Her zaman en zayıf renkle başlayıp en güçlüye doğru ilerleyeceğim. Mat siyah, neredeyse beklendiği gibi, en kötüsüydü ve ortalama 60 MPa’da koptu. Ardından 62 MPa ile yeşil geldi; sarı numuneler ise ortalama 63 MPa’da koptu. Normal siyah biraz daha dayanıklıydı ve sonunda 64 MPa’da koptu. Kırmızı, gümüş, mavi ve doğal filamentin tamamı, kopana kadar yaklaşık 65 MPa taşıyabildi. Beyaz ve şeffaf mavi malzemeler en dayanıklı olanlardı ve 68 MPa’da koptular; bu, en kötü renk olan mat siyahtan %15 daha dayanıklı oldukları anlamına geliyor.

Ancak dayanım her şey değildir. Bazı malzemeler yük sınırlarına ulaştıktan sonra oldukça fazla plastik şekil değiştirirken diğerleri bu noktaya ulaştıktan sonra doğrudan kırılır; bu da onları oldukça öngörülemez kılar. Çekme test makinemde gerçek bir ekstansometre olmasa da maksimum yüke ulaştıktan sonra ne kadar süre dayandığını kontrol ederek bir malzemenin ne kadar sünek olduğuna, yani kopmadan önce ne kadar plastik şekil değiştirdiğine kabaca bakabiliriz.

Kırmızı malzeme en kırılgan olanıydı. Ardından diğer tüm malzemeler geldi; mat siyah ve sarı ise en sünek olanlardı ve kırmızı malzemeden %400’ün üzerinde daha fazla plastik şekil değiştirdiler. Daha sünek malzemelerin daha zayıf olmasını beklerdim; ancak zayıf olmasına rağmen belirgin biçimde plastik şekil değiştiren mat siyah malzeme dışında, gözlemlenebilir net bir ilişki yoktu.

Katman yapışması

Yatay numunelerde filament renginin gerçekten önemli bir fark yarattığını zaten gördük; peki 3D baskılı parçalarımızın son derece kritik katman yapışması ne durumda? Her renk için yine üç numune test ettim ve bunlar dik olarak basılmıştı. Gümüş parçalar yalnızca 31 MPa ile en kötü katman yapışmasına sahipti; bu, yatay numunelerin dayanımının sadece yarısı. Ardından beklendiği gibi 32 MPa ile mat siyah geldi. Şeffaf mavi çok da iyi değildi ve yalnızca 35 MPa taşıdı. Sonra her ikisi de 38 MPa ile sarı ve çimen yeşili geldi; bu, referans dayanımının %60’ına karşılık geliyor. Mavi, doğal ve siyah sırasıyla 40, 41 ve 42 MPa taşıyabildi. Beyaz ve kırmızı numuneler ise 45 ve 46 MPa ile en iyi katman yapışmasına sahipti; referans dayanımının yaklaşık %70’ine ulaştılar, ki bu oldukça iyi!

Darbe dayanımı

Şimdi farklı renklerdeki PLA’ların darbe performansına bakalım. PLA’nın darbe altında pek tok olmadığı oldukça iyi bilindiği için fazla bir şey beklemiyordum; ancak belki yine de belirgin bir fark görebiliriz? Düzenek oldukça basit. Çentikli numuneler, makinenin alt kısmındaki bir mengenede tutuluyor. Ardından enerjisi bilinen bir çekiç numuneye vuruyor. Bir malzeme ne kadar toksa çekicin enerjisinin o kadar fazlasını soğuruyor ve çekiç yukarı doğru o kadar az yükseliyor; bu hareket, sürüklenen bir kadran göstergesiyle takip ediliyor.

Kırmızı, şeffaf mavi, mavi, siyah, beyaz, doğal ve yeşilin tamamı, ortalama 5 kJ/m2 darbe dayanımıyla çok benzer davrandı. Sarı ve mat siyah numuneler, yaklaşık 6,5 kJ/m2 darbe dayanımıyla en kötü numunelerden yaklaşık %40 daha toktu. Gümüş belirgin biçimde öne çıktı; ilk numunelerden iki kat daha dayanıklıydı ve 9 kJ/m2 değerine ulaştı. Bu, önemli bir fark! Yani katman yapışması mükemmel olmasa da gümüş darbeye dayanabiliyor!

Kanca testi

Rengin tek tek özelliklerde önemli bir fark yaratabildiğini zaten gördük. Ancak eksenel dayanım, katman yapışması ve sünekliğin birlikte önemli olduğu daha gerçekçi bir parçada bu gerçekten büyük bir fark yaratıyor mu? Kanca numunelerimle göstermek istediğim şey buydu. Neredeyse beklendiği gibi, mat siyah kanca en zayıf olanıydı ve yalnızca 72 kg yükte kırıldı. Ardından 77 kg’da kopan sarı numune geldi. Gümüş biraz daha dayanıklıydı ve 79 kg’da kırıldı. Doğal, yeşil, beyaz, siyah ve şeffaf mavi neredeyse aynı derecede dayanıklıydı ve 80 ile 81 kg arasında kırıldılar. Kırmızı numune, en kötü kancadan %15 daha fazla yük taşıyabildi ve 82 kg’da kırıldı. Mavi ise en dayanıklısıydı; tam 83 kg’da kırıldı ve dolayısıyla mat siyah parçadan %17 daha dayanıklıydı. Bu değerleri çekme testinin sonuçlarıyla karşılaştırırsak oldukça iyi örtüştüklerini ve muhtemelen katman yapışması ile kayma direncinin kancada daha önemli rol oynaması nedeniyle farklılaştıklarını görürüz.

Tavlama

Son olarak farklı renklerin tavlamaya uygunluğuna bakalım. PLA’yı tavlamak için parçalarınızı yarım saat boyunca 100 °C’lik bir fırına koyar, ardından yavaşça soğumalarını sağlarsınız. Bu, malzemenin kristalliliğini artırır ve özellikle PLA’nın ısı dayanımını yaklaşık 60 °C’den 170 °C’nin üzerine çıkarır. Kulağa harika geliyor; ancak parçaların genellikle korkunç biçimde çarpılması ve işlemden sonra neredeyse kullanılamaz hâle gelmesi gibi büyük bir sorunu da beraberinde getiriyor. Bu eğilimi daha az gösteren özel PLA türleri olsa da kullanılan pigmentin de bir rol oynayıp oynamadığını merak ettim. Tavlamadan önce tüm numuneleri ölçtüm, bir fırın tepsisine dizdim ve fırınladım. Tüm numunelerin ciddi biçimde şekil değiştirdiğini kolayca görebiliyordum; ancak aralarında farklılıklar var gibi görünüyordu.

Geçmişte tavlama kaynaklı çarpılmanın, kristalleşme sırasında oluşan bir yoğunluk değişiminden kaynaklandığını düşünüyordum; ancak artık bunun tamamen saçmalık olduğundan oldukça eminim. Şimdi deformasyonun, baskıdan kalan hapsolmuş gerilmelerin bir sonucu olduğunu düşünüyorum. Erimiş malzeme, serilirken z yönünde sıkıştırılıyor ve önceki katmana bağlandığı için baskı düzlemi içinde geriliyor. Parçaları ısıttığınızda bu iç gerilmeler serbest kalıyor; böylece parçalar x ve y yönünde büzülürken z yönünde genişliyor. Test numunelerimizde gördüğümüz şey tam olarak bu. Ancak sonuçlar arasındaki farklar düşündüğümden çok daha büyüktü!

Gümüş, beyaz ve şeffaf mavi yalnızca %4 ila %7 oranında şekil değiştirdi. Diğer tüm renkler %10 veya daha fazla şekil değiştirdi! Doğal numune, z yönünde %19 çarpılmayla en kötüsüydü! Dolayısıyla PLA parçalarınızı tavlamayı düşünüyorsanız farklı renkleri deneyip sonuçlarınızın nasıl değiştiğine bakabilirsiniz!

Yavaş baskı yapmak da yardımcı oluyor; ancak bu, başka bir konu.

Peki renk önemli mi?

İşte sonuçlar bunlardı! 3D baskı filamentinizin rengi, parçalarınızın dayanımını etkiliyor mu? Evet, etkiliyor! Bu etki önemli mi? Bir bakıma. Testler, özellikle mat yüzeyli özel filamentin ortalamada belirgin biçimde daha düşük dayanım gösterdiğini ortaya koydu. Diğerleri bir ölçüde birbirleriyle karşılaştırılabilir; yine de özelliklerde %400’e varan farklılıklar var. Bazı özellikler birbiriyle çeliştiği için genel bir kazanan bulmak zor.

Şeffaf mavi en yüksek çekme dayanımına sahipken en kötü katman yapışmalarından birini gösteriyor. Kırmızı malzemenin katman yapışması çok iyiydi; ancak oldukça kırılgandı, vb. Elbette numunelerim, sınırlı bir renk yelpazesine sahip tek bir üreticiden geliyordu. Ancak bu sonuçlar yalnızca çekme özelliklerinde bile %50’ye varan farklılıklar gösterdiği için ambalajlarının hepsinde PLA yazsa da farklı malzeme markaları arasında daha da önemli farklılıklar olacaktır. Sonuçlar gerçekten ilginçti ve gelecekte malzemelerin özelliklerini karşılaştırırken daha dikkatli olmam gerektiğini bana hatırlattı. Sizin çıkaracağınız ders şu olmalı: Bir malzemeyle sorun yaşıyorsanız farklı bir renk veya marka denemek iyi olabilir; çünkü aynı polimer içinde bile çok büyük farklılıklar olabilir. Parçalarınızın mekanik özellikleri söz konusu olduğunda da projeniz için gerekli değillerse özel renklerden veya yüzey görünümlerinden uzak durabilirsiniz!