Pri primerjavi izmerjenih upogibnih odklonov in dobljenih vrednosti pri simulacijah so si vrednosti rezultatov različne (Preglednica 10). S pomočjo simulacij smo želeli predvideti, do kakšnih odklonov lahko okvirno pride pri izpostavitvi v vlažni klimi. Treba je upoštevati, da so bile simulacije izvedene kot temperaturno obremenjevanje vzorcev. Program SW nima možnosti izbire simulacije vlažnosti, v tem primeru je temperaturna simulacija najbližja vlažnostnim obremenitvam. Prav tako smo pri simulacijah uporabljali določene poenostavitve ‒ vpetje vzorca je bilo bolj togo, kot je v resnici bilo (»ščipalka«), material je v SolidWorks simulaciji nastavljen kot poln material, medtem ko ima 3D natisnjen material več odstopanj, večjo poroznost ter nehomogenost zaradi same tehnologije gradnje 3D tiskanega dela, ne upošteva notranjih napetosti v vzorcih, ki se generirajo med tiskanjem materialov z različnimi lastnostmi in se v realnosti delno sprostijo/deformirajo vzorec ob odstranitvi iz mizice tiskalnika ter spremembi klime v okolici vzorca.
Primerjali smo lahko maksimalne odmike, oziramo približno kakšne so razlike med posameznimi vzorci v sklopu dejanskih meritev ali rezultatov simulaciji. Pri materialu WPL15 imata tako pri simulacijah kot pri izmerjenih rezultati najvišje vrednosti razmerji 1:5 in 2:4. Primerjamo lahko rezultate čistih materialov, ki so se bolj kot v obliki odklona spreminjali po dolžini.
Preglednica 10 Primerjava največjih izmerjenih upogibnih odmikov 4D natisnjenih kompozitov z rezultati iz simulacije v programu SolidWorks
Odmik:
Izmerjeni rezultati: Rezultati simulaciji:
razmerje: Material: Dejanski odmik (mm) Odmik (mm)
1:5 0,3PT WPL15 28,8 20,6
Pri primerjavi rezultatov odmika je med izmerjenimi podatki in podatki, dobljenimi iz simulacije, vidna razlika. Dejanski odmiki so bili precej večji, kot so bili izračunani v simulaciji.
S pomočjo podatkov dimenzijske stabilnosti materialov smo lahko določili diferencialno krčenje ali nabrekanje materialov, ki smo jih uporabili tudi za proučevanje odklona (PT, WPL15, WPL25). Diferencialni nabrek/skrček je pri vseh treh materialih enak (0,22 %/%
spremembe RZV). S povečevanjem dodatka lesnih vlaken (lesen prah) se povečuje tudi higroskopnost materiala. Higroskopnost je sposobnost materiala, izmenjevanje vlage z okolico (adsorpcija in desorpcija). Higroskopnost, določena s sorpcijskim koeficientom, je znašala pri PT 0,0081 %/% spremembe RZV, pri WPL15 je bila 0,0239 %/% spremembe RZV in pri WPL25 je znašala 0,0365 %/% spremembe RZV. Ugotovili smo, da z dodajanjem lesenih vlaken v material (lesno-plastični kompozit) povečuje higroskopnost ter ravnovesna vlažnost, čas uravnovešanja pa ostane nespremenjen.
Ugotovili smo, da z vnašanjem lesa kot dodatek v lesno-plastičnih kompozitih v material vnašamo tudi lastnosti lesa. Dimenzijska stabilnost je pri lesu kot naravnemu materialu izpostavljena, kot velika slabost (dimenzijska ne–stabilnost). Pri izdelavi elementov s pomočjo 3D tiskalnika in tehnologija 4D tiska pa lahko takšne lastnosti izkoristimo kot prednost. Z raziskavo smo pokazali, kako se elementi, natisnjeni ali sestavljeni iz lesno-plastičnih kompozitov, odzivajo na spremembe vlažnosti.
6 POVZETEK
V sklopu te diplomske naloge smo se ukvarjali z lastnostmi materialov za 3D tiskalnike, ki imajo v sestavi delež lesenega prahu, ter kako njihovo pomanjkljivost (higroskopnost in dimenzijske spremembe) uporabiti za 4D tiskanje. Ugotavljali smo, kakšne lastnosti možnosti uporabe imajo lesno-plastični kompoziti. Ukvarjali smo se z dimenzijsko stabilnostjo materialov. Preizkus dimenzijske stabilnosti smo izvedli na štirih materialih, en material iz PT in trije z različnim deležem lesnega prahu (WPT (do 40 %), WPL15 (15 %)in WPL25 (25 %). Pri dimenzijski stabilnosti smo vzorce najprej izpostavili v vlažni klimi in proučevali, kako se dimenzijsko povečujejo. Po izpostavitvi v vlažni klimi smo jih izpostavili še v suho klimo (sušenje). Pri sušenju so se vzorci dimenzijsko zmanjševali.
Poleg dimenzijske stabilnosti smo ugotavljali, kakšen modul elastičnosti ima posamezen material pri različnih vlažnostih (RZV 20 %, RZV 65 % in RZV 80 %). S tem smo dobili globlji vpogled v mehanske lastnosti materialov. Vzorce smo testirali po prilagojenem standardu SIST EN 310: 1993. Uporabili smo testirni stroj Zwick/Roell Z005.
Z razumevanjem, kako se materiali obnašajo pri različnih higromehanskih obremenitvah in spremembah okoliških klimatskih pogojev, smo se lotili preizkušanja sistemov elementov sestavljenih iz dveh različnih materialov. En material vedno predstavlja pasivno in en aktivno plast elementa. S programom SolidWorks smo izvedli simulacije deformacij vzorcev z različnimi razmerij materialov aktivne in pasivne plasti ob izpostavitvi spremembi klime. S pomočjo simulaciji smo približno določili, kako se bodo elementi odzivali na spremembo vlažnosti. Preizkusili smo več razmerij kombinacije pasivne in aktivne plasti.
Pasivno plast je v vseh primerih predstavljal material PT (PLA), kateremu smo dodali za aktivno plast enega izmed materialov; WPT, WPL15 ali WPL25.
Na dejanskih vzorcih smo testirali kombinacije materialov PT z WPL15 in PT z WPL25.
Ugotovili smo, da v primerih, kjer aktivna plast prevladuje, dosežemo večje upogibne odmike, element se bolj odkloni. Proces uklona je samodejen, element se ukrivi zaradi zunanjih dejavnikov, tj. sprememba klime, ki povzroči zaradi razlik v higroekspanziji oz.
higrokontrakciji vgrajenih materialov notranje napetosti ter nastanek upogibnega momenta.
Dimenzijske spremembe kot posledica večje higroskopnosti so v materialu z večjim deležem lesnih vlaken večje. Z naraščanjem deleža takšnega aktivnega materiala v 4D natisnjenem kompozitu se higromorfne spremembe takšnega kompozita povečujejo, odvisne pa so tudi od higromehanskih lastnosti pasivnega in aktivnega sloja.
Z vnašanjem lesa v materiale, namenjene 3D tisku, ne vplivamo samo na estetski izgled končnih izdelkov. Z dodajanjem lesa v material vnašamo tudi lastnosti lesa. Z vnosom lesa so se materiali (lesno-plastični kompoziti) zmožni dimenzijsko spreminjati glede na spremembe v okolju. Materiale, ki so sposobni avtonomnega odziva na spremembe v okolju, je možno s pomočjo kombiniranja z drugimi materiali in spreminjanjem oblike nadzorovati, na kakšne način se bodo odzvali ali preoblikovali.
7 VIRI
Atelšek R. Kinetika konvekcijskega sušenja lesnih sekancev (2017).
Ljubljana, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo: 38 str.
https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?lang=slv&id=92527 (Maj 2021)
Ayrilmis N., Kariž M., Kwon J. H., Kuzman M. K. 2018. Effect of printing layer thickness on water absorption and mechanical properties of 3D-printed wood/PLA composite materials. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 102(5-8), 2195-2200
Bournias A. V. What is FDM? (2019).
https://www.3dhubs.com/knowledge-base/introduction-fdm-3d-printing/ (Marec 2021) Bryll K., Piesowicz E., Szymanski P., Slaczka W., Pijanowski M. 2018. Polymer
Composite Manufacturing by FDM 3D Printing Technology. MATEC web of conferences, 237, 02006
Bučar B. 2007. Internal and external moisture transport resistance during non-stationary adsorption of moisture into wood. Zbornik gozdarstva in lesarstva 84: 17–21
Cvetko M. 2020. Optimizacija 3D tiskanega vezja za stol. Diplomsko delo. Ljubljana, Biotehniška fakulteta, odd. za lesarstvo: 39 str.
https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?lang=slv&id=119921 (Maj 2021) Creality CR-10 V3
https://www.3djake.com/creality-3d-printers-spare-parts/cr-10-v3 (April 2021) Grönquist P., Wood D., Hassani M. M., Wittel F. K., Menges A., Rüggeberg M. 2021.
Analysis of hygroscopic self-shaping wood at large scale for curved mass timber structures. Science advances, 5, 9: eaax 1311
https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaax1311 (Avgust, 2021) Hančič A. 2006. Brizganje biopolimernih kompozitov. PlastForma, 11, 1: 24-26.
Holstov A., Bridgens B., Farmer G. 2015. Hygromorphic materials for sustainable responsive architecture.Construction and Building Materials, 98: 570-582
Kariž M., Šernek M., Kitek Kuzman M. 2018. Effect of humidity on 3D-printed specimens from wood-PLA filaments. Wood Res, 63: 917-922
Kariž M., Šernek M., Kitek Kuzman M. 2017. Možnosti uporabe lesa v dodajalnih tehnologijah (3D tiskanju). Les/wood, 66, 2: 71–84
https://dlib.si/details/URN:NBN:SI:DOC-I661XCBM
O'Neal B. 2020. What does the future hold for 3D & 4D printing? Reviewing Current Processes and Ongoing Potential.
https://3dprint.com/266838/what-does-future-hold-3d-4d-printing-reviewing-current-processes-ongoing-potential/ (Marec 2021)
Plastika Trček d. o. o. 3D filamenti.
https://plastikatrcek.si/izdelek/specialni-filament/ (Marec 2021)
SIST EN 310:1993 – Lesne plošče – Ugotavljanje upogibne trdnosti in modula elastičnosti Straže A. 2010. Vpliv notranjega in zunanjega snovnega upora na kinetiko konvekcijskega
sušenja lesa. Doktorska disertacija. Ljubljana, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo: 114 str.
Taylor – Smith K. What is 4D Printing and How Does it Differ from3D Printing (17. Junij 2020).
https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=19378 (Februar 2021)
Tan L. P., Lui Y. S., Sow W. T., Wu Y., Lai Y., Li H. 2019. 4D Printing and stimuli–
responsive materials in biomedical applications. Acta biomaterialia 92: 19–36
Wimmer R., Steyrer B., Woess J., Koddenberg T., Mundigler N. 2015. 3D printing and wood. ProLigno,11/4: 144-149
https://www.researchgate.net/publication/286921783_3D_PRINTING_AND_WOOD (December 2015)
Young M. What is 4D Printing? – All You Need to Know ( 1. Maj 2019).
https://all3dp.com/1/4d-printing/ (Marec 2021)
Zuluaga, D. C., Menges, A. 2015. 3D printed hygroscopic programmable material systems.MRS proceedings. Cambridge Univ Press, mrss15-2134303
Faresellouz. 4D Printing (2018).
https://steemit.com/technology/@faresellouz/4d-printing-74c0df9b4c99d (April 2021) 4D printing
https://en.wikipedia.org/wiki/4D_printing (Januar 2021)
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Mirku Karižu za sprejetje mentorstva in načrtovanje diplomske naloge. Mentorju se zahvaljujem za strokovno svetovanje in vso pomoč pri izvajanju eksperimentalnega dela in svetovanje. Zahvaljujem se za pomoč pri pisanju diplomskega dela, za vse popravke in nasvete.
Zahvaljujem se tudi somentorju izr. prof. dr. Alešu Stražetu za pomoč pri izvedbi preizkusov v laboratoriju za sušenje, prav tako se mu zahvaljujem za vse nasvete in razlage dobljenih rezultatov.
Zahvaljujem se tudi mladi raziskovalki mag. Daši Krapež Tomec za pomoč pri izpeljevanju eksperimentov tudi izven rednega delovnega časa.
Za recenzijo diplomskega dela se zahvaljujem prof. dr. Manji Kitek Kuzman.
PRILOGE
Določanje časovne konstante za upogibni odklon in spremembo mase 4D natisnjenih elementov:
Priloga A2
y = -0,0532x - 0,0186
y = -0,0528x - 0,0147