Higroskopnost 3D natisnjenih elementov

3D natisnjene elemente lahko izdelujemo v poljubnih oblikah in velikostih. 3D tisk je proces, pri čemer lahko računalniško zasnovano 3D obliko z ustreznimi prilagoditvami 3D modela neposredno izdelamo s 3D tiskalnikom (Ayrilmis in sod., 2019). Lastnosti 3D natisnjenih delov so odvisne od uporabljenih materialov ter nastavitev tiskanja.

Debelina posameznih plasti tiskanja vpliva na adsorpcijo vlage in mehanske lastnosti.

Ugotovljeno je bilo, da imajo vzorci z najmanjšo debelino najboljše mehanske lastnosti.

Adsorpcija vlage pa je naraščala z naraščanjem debeline posameznih plasti tiskanja (Ayrilmis in sod., 2019).

Z združevanjem materialov z različnimi higroskopskimi lastnostmi lahko nadzorujemo upogib elementov v spreminjajoči se klimi (Slika 14). Upogib nadzorujemo z upoštevanjem nabrekanja in krčenja posamezne plasti. Princip delovanja poizkuša posnemati princip bimetal oziroma v naravi odpiranja in zapiranja storžev. V vlažnem okolju so storži zaprti, v suhih pogojih se odprejo (Holstov in sod., 2015) (Slika 15).

Slika 14 Združevanje aktivne in pasivne plasti v en element (Holstov in sod., 2015)

Slika 15 Odpiranje in zapiranje storža v različnih vlažnostnih pogojih (Holstov in sod., 2015)

Izdelava nenaravnih pametnih materialov je zelo zapletena, potrebno je veliko energije in zahteva uporabo materialov z omejeno dostopnostjo. Z uporabo naravnih materialov in uporabo njihovih sistemskih lastnosti, so lahko končni izdelki dostopnejši in učinkovitejši.

Takšni sistemi se spreminjajo zaradi svoje materialne strukture in možnostjo odzivanja na spreminjajoče se okolje (Holstov in sod., 2015).

Higromorfizem izdelkov na osnovi lesa je posledica higroskopnosti lesa, pri čemer je higroskopnost na micro in macro nivoju neodvisna od biološkega delovanja celic. Za opravljanje mehanskih operacij takšni sistemi ne potrebujejo zunanjega vira energije ali senzorjev. Higroskopnost je sposobnost materiala izmenjave vlage z okoljem, ta proces je mogoč zaradi adsorpcije in desorpcije (Holstov in sod., 2015).

S posnemanjem storžev so danes že zasnovane ideje o avtonomnih stenskih loputah (Slika 16). Les velikokrat povezujemo z dimenzijsko nestabilnostjo, pri čemer vidimo spreminjanje lesa v različni klimi kot pomanjkljivost in omejitev. Z drugačnimi pristopi pri načrtovanju uporabe lesnih konstrukcij pa lahko dimenzijsko stabilnost v nekaterih primerih uporabimo kot prednost (Holstov in sod., 2015).

Slika 16 Avtonomno odpiranje in zapiranje stenskih loput (Holstov in sod., 2015)

3 MATERIAL IN METODE 3.1 MATERIALI

Za raziskovanje smo izbrali štiri različne materiale oziroma filamente. Odločili smo se za filament narejen iz PLA, ki ga izdelujejo v slovenskem podjetju Plastika Trček. Izbrali smo tudi specialni lesno-plastični filament podjetja Plastika Trček. Proizvajalec navaja, da naj bi imel specialni lesno-plastični filament v sami sestavi primešanih do 40 % deleža lesenega prahu.

Še dva različna filamenta smo dobili iz laboratorija Kompetenzzentrum Holz GmbH v Linzu.

Poslali so nam filament, ki ima v sami sestavi 15 % delež lesenega prahu, in filament, ki ima v sami sestavi 25 % delež lesenega prahu, za osnovo pa je PLA polimer.

Za lažje izvajanje samih preizkusov smo izbrane materiale ustrezno skrajšano poimenovali (Preglednica 1).

Preglednica 1 Poimenovanje posameznih materialov

Material: Skrajšano poimenovaje:

PLA filament slovenskega proizvajalca

Plastika Trček d. o. o. PT

Specialni filament slovenskega proizvajalca,

z do 40 % deležem lesenega prahu WPT Filament laboratorija iz Linza, z 15 %

deležem lesenega prahu WPL–15

Filament laboratorija iz Linza, z 25 %

deležem lesenega prahu WPL–25

Z raziskavo smo ugotavljali, kako spremembe vlažnosti klime vplivajo na posamezne karakteristike materialov. Preizkusili smo tudi, kako se na spremembe v klimi odzivajo elementi, narejeni iz kombinacije dveh različnih filamentov.

3.1.1 Polilaktična kislina (PLA)

PLA ali polilaktična kislina (PLA) je material, ki se najpogosteje uporablja v svetu 3D tiska.

Filamenti, narejeni iz PLA, so cenovno dostopni in imajo dobre lastnosti. PLA je izdelan iz naravnih materialov ali biomase, kot sta koruzni škrob in sladkorni trs. Izdelki, narejeni iz takšnega materiala, so na koncu biorazgradljivi oziroma jih je možno reciklirati, hkrati imajo nizek okoljski odtis. Zaradi svojih lastnosti omogoča uporabo na najrazličnejših 3D tiskalnikih. Omogoča velik temperaturni razpon gretja šobe tiskalnika in velik temperaturni razpon gretja podlage tiskalnika. Material je možno dobiti v najrazličnejših barvah. Površina je na otip gladka in rahlo lesketajoča. Uporaba PLA filamentov ni nevarna, med samim tiskanjem ne oddajajo vonja. Zaradi majhne viskoznosti v staljenem stanju omogoča natančno nanašanje materiala, izdelki pa imajo po koncu tiskanja izrazitejše podrobnosti (Plastikatrcek.si). Gostota materiala je 1,24 g/cm³, izmerjen modul elastičnosti pa znaša 1909 MPa (Cvetko, 2020).

3.1.2 Lesno plastični kompoziti

Lesno plastični kompoziti so filamenti, narejeni iz mešanice termoplastičnih kompozitov in lesnega prahu. Lesene delce se najpogosteje doda PLA filamentom, saj imajo dobro kompatibilnost s PLA polimerom. Z dodajanjem lesa v sam material vplivamo tudi na

lastnosti končnega izdelka. Komercialno poznamo lesno plastične filamente z do 40-odstotnim deležem lesenega prahu. Večji deleži lesenega prahu predstavljajo večje tveganje za mašenje šob, obenem pa so končni izdelki bolj krhki. Leseni prah je pogojen z velikostjo lesnih delcev in odprtino šobe 3D tiskalnika (običajno premer šobe meri od 0,2 mm do 0,8 mm, za tiskanje z lesno-plastičnimi kompoziti se običajno priporoča vsaj 0,6 mm). Lesni delci so različnih velikosti in različnih deležev, odvisno je od proizvajalca do proizvajalca.

Uporaba lesa nas omejuje tudi pri izbiri polimerov. Polimeri morajo biti združljivi z lesom.

Uporabljajo se polimeri z nižjimi temperaturami tališča. Omejeni pa smo tudi s temperaturo tiskanja (med 200 ºC in 230 ºC), priporočljiva temperatura je 195 ºC. S temperaturo lahko vplivamo tudi na spremembo barve lesne komponente.

Izdelki, narejeni iz filamentov z vsebnostjo lesenega prahu, imajo običajno bolj hrapavo površino, podobno vlaknenim ploščam (Slika 17). Takšno površino je potrebno dodatno obdelati, najpogosteje se uporablja brušenje. Končni izdelki imajo tako barvo, podobno lesu, lesno plastični kompoziti pa prevzamejo tudi nekaj lastnosti lesa (Kariž in sod., 2017).

Slika 17 Površina 3D natisnjenih elementov, narejenih s filamentov z različnimi deleži lesa (20-kratna povečava) (Kariž in sod., 2017)

3.2 METODE DELA

Za določanje lastnosti in karakteristik posameznih materialov smo s 3D tiskalnikom CREALITY CR-10 V3 za vsak material natisnili sedem vzorcev enakih oblik (Slika 18).

Skupaj smo imeli na začetku 28 vzorcev.

Slika 18 Tiskanje vzorcev (Lasten arhiv, 2021)

3.2.1 3D tiskalnik CREALITY CR-10 V3

3D tiskalnik CREALITY CR-10 V3 (Slika 19) deluje na principu FDM tehnologije tiska.

Omogoča tiskanje večjih elementov. Celoten volumen tiskanja meri 300 mm x 300 mm x 400 mm. Primeren je za uporabo s filamenti premera 1,75 mm. Premer odprtine šobe meri 0,4 mm, kar omogoča tudi uporabo s filamenti z deležem lesnega prahu. 3D tiskalnik deluje tako, da se glava tiskalnika premika v vse tri smeri (X, Y in Z). Stabilno tiskanje elementov omogoča dvojna Z os. Ekstruder 3D tiskalnika se v navpični smeri pomika po dveh stranskih vodilih, kar pripomore pri natančnosti nalaganja posameznega sloja izdelka. Prednost omenjenega 3D tiskalnika je tudi ta, je nameščen dozirnik filamenta neposredno na ekstruder. Dozirnik s pomočjo vgrajenega elektromotorja neposredno dovaja filament v šobo ekstruderja. Za še boljše delovanje in nanašanje filamenta poskrbita dva ventilatorja na ekstruderju. Učinkovito odvajanje toplote in takojšnje hlajenje zmanjšujeta zamašitev in zagotavljata visoko kakovost izdelkov. 3D tiskalnik deluje tiho in je enostaven za uporabo (3djake.si, 2021).

Slika 19 3D tiskalnik CREALITY CR-10 V3 (Levo) (creality3dofficial.com, 2021), priprava modela za tiskanje v Cura 4.8. (Desno) (Lasten arhiv, 2021)

3D model za tiskanje smo pripravili v programu SolidWorks, izvozili v stl–formatu ter v Cura 4.8 programski opremi določili parametre tiskanja. Temperatura ekstruderja (šobe) je bila nastavljena na 200 °C in ogrevana podlaga na 50 °C, uporabljena je bila šoba 0,4mm, debelina plasti pa je znašala 0,3 mm.

3.2.2 Določanje osnovnih lastnosti izbranih materialov 3.2.2.1 Upogibna trdnost in modul elastičnosti

Med testiranjem odzivanja materialov na spremembe v klimi smo želeli ugotoviti nekaj osnovnih mehanskih lastnosti vseh štirih materialov. Vsem materialom smo preizkusili upogibno trdnost in modul elastičnosti (Slika 20). Modul elastičnosti smo preizkušancem izmerili po uravnovešanju pri treh različnih relativnih zračnih vlažnostih. Prvič smo merili mehanske lastnosti materialov po izpostavitvi v klimi z relativno zračno vlažnostjo 20 % (RZV 20 %), drugič po izpostavitvi v klimi z RZV 80 % in tretjič po izpostavitvi v klimi z RZV 65 %. Temperatura v vseh treh klimah je bila 20 °C.

Za določanje mehanskih lastnosti posameznih materialov smo preizkušance testirali po prilagojenem standardu SIST EN 310: 1993. Velikost naših vzorcev je bila 120 mm x 15 mm x 4 mm (dolžina x širina x debelina). Razdalja med podporama je bila 90 mm. Prvi vzorec v vsaki seriji smo testirali do porušitve. Nadaljnje vzorce pa smo obremenili na 30 % obremenitve porušitve. Vzorce smo namreč želeli uporabiti tudi za testiranje dimenzijske stabilnosti pri izpostavitvi različnim vlažnostnim, ter testirati upogibne lastnosti pri teh pogojih.

Slika 20 Testiranje mehanskih lastnosti materialov (Lasten arhiv, 2021)

Iz dobljenih meritev smo module elastičnosti izračunali po enačbi:

𝛦_𝑚 = 𝑙₁³× (𝐹₂− 𝐹₁)

4𝑏𝑡³ × (𝑎₂− 𝑎₁) … (1) l…razdalja med podporama [mm],

b…širina preizkušanca [mm], t…debelina preizkušanca [mm],

F2…sila pri 40 % maksimalne obremenitve [N], F1…sila pri 10 % maksimalne obremenitve [N], a2…poves pri 40 % maksimalne obremenitve [mm], a1…poves pri 10 % maksimalne obremenitve [mm].

3.2.2.2 Dimenzijska stabilnost

Dimenzijsko stabilnost vzorcev smo spremljali v sušilnem kanalu, kjer smo v komori nastavili želeno relativno zračno vlažnost (RZV). Temperatura v komori je bila ves čas konstantna, T = 20 °C. Vzorcem smo merili maso, dolžino, širino in debelino. Na podlagi teh meritev smo izračunali vlažnost, nabreke in skrčke (Enačba 2 in 3). Za merjenje sprememb dimenzij smo uporabljali elektronsko kljunasto merilo, ki meritve samodejno vnaša v tabelo v programski opremi Excel (Slika 21). Meritve smo opravljali na desetinko milimetra natančno. Vzorcem smo poleg dimenzijskih sprememb določali tudi spremembo mase.

Pri tiskanju vzorcev je bila temperatura ekstruderja (šobe) nastavljena na 200 °C in ogrevana podlaga na 50 °C. Temperaturo ogrevane podlage smo privzeli kot sušenje vzorcev pred uravnovešanjem. Pred spremljanjem dimenzijske stabilnosti smo vzorce nekaj dni uravnovešali v klimi z RZV 20 %, saj smo želeli imeti izhodiščno točko pri vseh vzorcih enako. V sušilnem kanalu smo vzorce najprej izpostavili klimi z RZV 80 %. Določili smo časovne intervale opravljanja meritev. Meritve smo opravljali ob naslednjih časih izpostavitve v vlažni klimi, po: 0,5 h, 1,5 h, 3,5 h, 6,5 h, 9,5 h, 24 h, 27 h, 48 h, 55 h in 72 h.

Vse skupaj so bili vzorci v klimi z RZV 80 % izpostavljeni 3 dni.

Slika 21 Merjenje dimenzijske stabilnosti (Lasten arhiv, 2021)

Enačbe za izračun nabreka:

Prostorninski nabrek:

𝛼_𝑉 = 𝑉_𝑣𝑙− 𝑉₀

𝑉₀ × 100[%] … (2) V…prostornina [mm³],

vl…vlažno stanje,

0… suho stanje oz. začetno stanje.

Osni nabrek:

𝛼_{𝐿,𝑅,𝑇} = 𝐿_𝑣𝑙, 𝑅_𝑣𝑙, 𝑇_𝑣𝑙− 𝐿₀, 𝑅₀, 𝑇₀

𝐿₀, 𝑅₀, 𝑇₀ × 100[%] … (3) L, R, T…osi merjenja (dolžina, širina, debelina) [mm],

vl…vlažno stanje,

0… suho stanje oz. začetno stanje.

Vzorce smo v sušilnem kanalu z RZV 80 %, pustili do stabilizacije njihove mase in dimenzij (Slika 22). Vzorce smo nato prestavili v sušilno komoro z RZV 20 %. Želeli smo ugotoviti ali lahko s sušenjem vzorcev, dosežemo začetne dimenzije posameznih vzorcev. Spremljali smo krčenje vzorcev (Enačba 4 in 5). Tudi pri izpostavitvi v klimi z RZV 20 %, je bila temperatura 20 °C. Meritve mase in dimenzij smo opravljali po: 0 h, 0,5 h, 1,5 h, 3,5 h, 6,5 h, 9,5 h, 24 h, 28 h, 48 h, 72 h in 168 h.

Slika 22 Vzorci v sušilnem kanalu pri 80 % RZV (Lasten arhiv, 2021)

Enačbe za izračun skrčka:

Prostorninski skrček:

𝛽_𝑉 =𝑉_𝑣𝑙− 𝑉₀

𝑉_𝑣𝑙 × 100[%] … (4) V…prostornina [mm³],

vl…vlažno stanje,

0… suho stanje oz. začetno stanje.

Osni skrček:

𝛽_{𝐿,𝑅,𝑇} =𝐿_𝑣𝑙, 𝑅_𝑣𝑙, 𝑇_𝑣𝑙− 𝐿₀, 𝑅₀, 𝑇₀

𝐿_𝑣𝑙, 𝑅_𝑣𝑙, 𝑇_𝑣𝑙 × 100[%] … (5) L, R, T…osi merjenja (dolžina, širina, debelina) [mm],

vl…vlažno stanje,

0… suho stanje oz. začetno stanje.

Sledilo je kondicioniranje vzorcev v klimi z RZV 65 %, pri čemer pa nismo spremljali dimenzijskih in masnih sprememb, ampak smo želeli le izmeriti mehanske lastnosti preizkušancev po uravnovešenju pri teh pogojih.

3.2.3 Simulacije ukrivljanja preizkušancev s pomočjo programske opreme SolidWorks

Odmik ali ukrivljanje naših vzorcev iz kombinacij materialov smo proučili tudi računalniško. S programsko opremo SolidWorks smo izvajali simulacije odzivnosti naših vzorcev na spremembe vlažnosti v klimi. Proučevali smo, kolikšni so največji odmiki pri treh različnih vlažnostih (80 %, 65 % in 20 %).

Za pravilno delovanje simulacije smo morali v programski sistem vnesti karakteristike naših izbranih materialov. Ustvarili smo štiri skupine za štiri različne materiale. Vsak material posebej je imel tri različne karakteristike ali podskupine. Materiale smo razvrstili glede na vrsto in glede na lastnosti, izmerjene pri določeni RZV. Simulacija odmika je odvisna od modula elastičnosti, Poissonovega razmerja, gostote materiala in koeficienta temperaturne razteznosti. V našem primeru smo uporabili enako Poissonovo razmerje pri vseh materialih enak (0,394). Modul elastičnosti smo za vsak material posebej izmerili pri treh različnih RZV, gostoto smo izračunali iz podatkov pri spremljanju dimenzijske stabilnosti. Koeficient temperaturne razteznosti smo izračunali kot količnik dolžinskega nabreka in spremembe vlažnosti. V primeru navlaževanja vzorcev v klimi z RZV 80 % smo na koncu dolžinski nabrek (brez enot) posameznega materiala delili s 60 (sprememba stanja). Podatke za natezno trdnost smo privzeli iz diplomskega dela (Cvetko, 2020). Za natezno trdnost smo pri vseh lesno plastičnih kompozitih uporabili vrednost 17,6 MPa, za material PT smo uporabili vrednost 35,4 MPa.

Simulacije elementov, sestavljenih iz dveh različnih materialov, smo izvajali kot sestavljen sistem iz dveh različnih kosov. Vsak kos je predstavljal določeno debelino in določen material. V vseh primerih je bil spodnji kos elementa nastavljen na material PT. Pri simulacijah smo spreminjali razmerje debelin spodnjega in zgornjega kosa, tako smo spreminjali tudi razmerje različnih materialov (Preglednica 2). Simulacije so bile ponovljene za vsa tri vlažnostna stanja.

Preglednica 2 Simulacije SW razmerje uporabljenih materialov Material:

Razmerje materiala: Spodaj: Zgoraj:

1:5

Program SolidWorks (SW) nima možnosti izbire simulacije vlažnostnih pogojev, zato smo morali simulacije prilagoditi našim potrebam. V programu smo izbrali statično simulacijo, z vpetjem na eni izmed manjših stranskih ploskev, z dodatno temperaturno obremenitvijo (Slika 23). Temperaturno obremenitev smo v našem primeru obravnavali kot spremembo vlažnostnih pogojev v klimi. Izbrali smo možnost izpostavitev vseh zunanjih stranic na temperaturno obremenitev. Program SW je nastavljen tako, da je njegova privzeta začetna temperatura 25 °C, kar je v našem primeru ravnovesna vlažnost 20 %. Za izvajanje simulacije pri vlažnostnih pogojih RZV 80 %, smo temperaturno obremenitev v programu nastavili na 85 °C. Ker je bila sprememba zračne vlažnosti med začetnim in končnim stanjem 60 %, smo enako razliko uporabili tudi pri vnašanju temperaturnih sprememb v program.

Simulacija se zaključi z vizualnim prikazom in številčnim prikazom odklona (Slika 24).

Slika 23 Priprava simulacije v progamu SolidWorks (Lasten arhiv, 2021)

Slika 24 Končana simulacija v programu SolidWorks (Lasten arhiv, 2021) Temperaturna

obremenitev

3.2.4 Merjenje odklona elementov, natisnjenih iz dveh različnih materialov pri izpostavitvi v vlažni klimi

Glede na rezultate simulacij smo izbrali kombinacije, pri katerih so simulacije pokazale naj boljši odziv glede na spremembo vlažnosti okolice. Natisnili smo13 novih vzorcev velikosti 200 mm × 12 mm × 1,8 mm. Vzorce smo tiskali iz dveh različnih materialov. Naši preizkušanci so bili sestavljeni iz pasivne plasti – PLA (spodaj) in aktivne plasti Les–PLA (zgoraj) (Slika 25). S spreminjanjem razmerij posameznih plasti smo spreminjali tudi razvoj notranjih napetosti med pasivno in aktivno plastjo pri izpostavitvi spremenjeni okoliški klimi. Različno krčenje in nabrekanje posamezne plasti se na opazovanem sistemu pokaže kot uklon elementov.

Pri vseh natisnjenih vzorcih je pasivno plast predstavljal material PT, za aktivno plast smo uporabili WPL15 ali WPL25. Material WPT je v simulacijah prikazal majhne odklone, zato ga nismo uporabili pri tiskanju končnih vzorcev. Materiale smo kombinirali v različnih razmerjih med posameznimi plastmi (Preglednica 3).

Slika 25 Odklon zaradi kombiniranja pasivne in aktivne plasti (Grönquist in sod., 2019)

Passive layer

Active layer

Preglednica 3 Razmerje plasti različnih materialov Razmerje: Debelina sloja: Material:

1:5 0,3 mm:1,5 mm PT:WPL15 PT:WPL25 2:4 0,6 mm:1,2 mm PT:WPL15 PT:WPL25 3:3 0,9 mm:0,9 mm PT:WPL15 PT:WPL25 4:2 1,2 mm:0,6 mm PT:WPL15 PT:WPL25 5:1 1,5 mm:0,3 mm PT:WPL15 PT:WPL25

1 1,8 mm WPL15 WPL25

1 1,8 mm PT

Za lažje spremljanje odklonov smo izdelali prilagojene merilne ploščice. S pomočjo programske opreme AutoCAD smo izdelali merilno mrežo (Slika 26), z gostoto 1 mm, tako smo lahko odklone vzorcev spremljali na milimeter natančno. Merilne ploščice so bile izdelane iz akrilnega stekla prozorne barve. Ploščice smo izdelali s pomočjo laserskega rezalnika, pri čemer smo merilne črtice poglobili za lažje odčitavanje posameznih odmikov.

Za lažjo orientacijo po sami merilni mreži, smo vsako deseto mrežno črto (1 cm) obarvali s permanentnim flomastrom (Slika 27).

Slika 26 Merilna mreža (Lasten arhiv, 2021)

Slika 27 Izdelovanje merilnih ploščic (Lasten arhiv, 2021)

Izdelali smo tudi svoj način vpetja vzorcev. Pri vseh vzorcih smo želeli imeti enako izhodišče. Izdelali smo način vpetja oz. oprijemala, ki spominjajo na ščipalko (Slika 28).

Vsa oprijemala so bila na merilne ploščice vpeta na enakem mestu. Na oprijemalih smo zasnovali dva zatiča, ki sta se namestila v merilne ploščice. Za namestitev oprijemal na merilne ploščice smo uporabili pištolo za vroče lepljenje in talilno lepilo (Slika 29).

Slika 28 Sistem vpetja (Lasten arhiv, 2021)

Slika 29 Merilna ploščica z vzorcem (Lasten arhiv, 2021)

Vzorce smo glede na vrsto materiala aktivne plasti razdelili v dve skupini (WPL15 in WPL25). Izdelali smo držali za posamezno skupino vzorcev. Držala so omogočala lažje in hitrejše premikanje vzorcev v sušilno komoro in iz nje (Slika 30).

Slika 30 Držala vzorcev za merjenje odklona (Lasten arhiv, 2021)

Vse vzorce smo pred začetkom merjenja za nekaj dni postavili v komoro z RZV 20 %, z namenom uravnovešenja vzorcev. Pri vseh vzorcih smo želeli imeti enake začetne pogoje.

Vsem vzorcem smo nato označili začetno stanje odmika in jih postavili v komoro z RZV 88

% in T = 20 °C (Slika 31). Odklon vzorcev smo merili ob različnih časovnih intervalih, po:

0 h, 1 h, 2,5 h, 4 h, 6 h, 23 h, 27 h, 49,5 h in 53,5 h.

Slika 31 Vzorci v vlažni komori (RZV 88 %, T = 20 °C) (Lasten arhiv, 2021)

Odklon vzorcev smo spremljali z označevanjem odmika na merilnih ploščicah in fotografiranjem ter analizo slike. Ob vsakem časovnem intervalu smo vsak vzorec fotografirali. Za lažje fotografiranje smo izdelali stojalo in držalo. Vse vzorce smo želeli fotografirati pod enakim kotom in z enakimi svetlobnimi pogoji (Slika 32).

Slika 32 Spremljanje odmikov s fotografiranjem (Lasten arhiv, 2021)

Posamezne odmike vzorcev smo odčitavali ročno z merilnih ploščic in s pomočjo računalniškega programa imageJ. Vsako sliko, ki je bila posneta, smo računalniško obdelali in s pomočjo programa imageJ odčitali odmik. Odmike smo merili vedno od začetnega ravnovesnega stanja do zadnjega spremenjenega stanja.

Slike smo vpeljali v računalniški program imageJ, kjer smo morali najprej določiti merilo.

Program meri razdaljo s pomočjo štetja slikovnih pik. Najprej smo morali določiti merilo z znano razdaljo. Po določitvi merila (Slika 33) smo v programu označili želeno razdaljo, program pa je samodejno izpisoval podatke v mm (Slika 34).

Slika 33 Določevanje referenčne razdalje pri merjenju odmika (Lasten arhiv, 2021)

Slika 34 Merjenje odmika s pomočjo računalniškega programa imageJ (Lasten arhiv, 2021) Določitev merila,

znana razdalja 40 mm = 827 slikovnih pik

Izpisovanje podatkov za izmerjeno dolžino

Izmerjena dolžina

Pri vzorcih smo poleg odmika spremljali tudi spremembo mase. Poleg maksimalnega odmika smo želeli ugotoviti, kako se z navlaževanjem 3D natisnjenih vzorcev spreminja njihova masa. Vzorce smo po fotografiranju tehtali skupaj z merilnimi ploščicami.

3.2.5 Vrednotenje izmerjenih podatkov pri stacionarnih pogojih navlaževanja (RZV 88 %, T = 20 °C)

Z opazovanjem in beleženjem sprememb s časovnimi oznakami smo s preoblikovanjem podatkov na podlagi že izmerjenih vrednosti določili, kako se bodo vrednosti meritev nadaljevale. Ta metoda je bila prilagojena po metodi iz diplomske naloge (Atelšek, 2017).

V našem primeru smo enačbe preoblikovali, namesto mase smo preračunavali izmerjene odmike (razdalja v mm). Za primerjavo rezultatov smo to metodo uporabili tudi za izračun in prikaz podatkov na podlagi spremembe mase.

Z beleženjem podatkov v danih časovnih intervalih smo želeli proučiti odzivnost naših elementov v odvisnosti od debeline posameznega sloja in uporabljenih materialov. Na podlagi izmerjenih podatkov smo želeli ugotoviti hitrost za dosežen končni odmik. S to metodo smo želeli ugotoviti difuzivnost vlage 4D natisnjenih elementov in kako na difuzivnost in vlažnostni gradient vpliva delež lesenega prahu v filamentu. S spreminjanjem razmerja pasivne in aktivne plasti smo želeli ugotoviti, kako razmerje posameznih plasti vpliva na hitrost doseženega končnega odmika in na difuzivnost vlage.

Spremembo stanja naših vzorcev smo pri navlaževanju v solni komori z RZV 88% in T = 20 °C proučili z odzivom sistema na hipno, konstantno zunanjo motnjo. Pri tem je karakterističen prehod sistema v novo stacionarno stanje, ki ga lahko opišemo kot sistem 1.

reda z diferencialno enačbo (Bučar, 2007; Straže, 2010):

𝐺Φ(𝑡) = 𝜏𝑑𝑚

𝑑𝑡 + 𝑚 … (6) G = stacionaren odziv sistema [g],

Φ(t) = prehoden odziv sistema [ ], τ = časovna konstanta [s],

m = masa [g], v našem primeru tudi odmik x [mm], t = čas [s].

Zgornji izraz (Enačba 6) smo preoblikovali tako, da smo namesto mase m pisali odmik x. To lahko izvedemo ob predpostavki, da je ekspanzija ali pa kontrakcija (krčenje) materiala v linearni zvezi s spremembo mase in s tem vlažnosti materiala. Predpostavimo tudi, da je diferencialno nabrekanje oz. diferencialno krčenje, tj. sprememba dimenzije glede na spremembo vlažnosti materiala, konstantna na njegovem celotnem higroskopskem območju.

Zgornji izraz (Enačba 6) smo preoblikovali tako, da smo namesto mase m pisali odmik x. To lahko izvedemo ob predpostavki, da je ekspanzija ali pa kontrakcija (krčenje) materiala v linearni zvezi s spremembo mase in s tem vlažnosti materiala. Predpostavimo tudi, da je diferencialno nabrekanje oz. diferencialno krčenje, tj. sprememba dimenzije glede na spremembo vlažnosti materiala, konstantna na njegovem celotnem higroskopskem območju.

In document VPLIV SESTAVE 3D NATISNJENIH KOMPOZITNIH GRADIV NA OBLIKOVNO IN DIMENZIJSKO STABILNOST V SPREMINJAJOČIH KLIMATSKIH POGOJIH (Strani 26-0)