UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ODDELEK ZA LESARSTVO
Matevž KOKOT
VPLIV SESTAVE 3D NATISNJENIH KOMPOZITNIH GRADIV NA OBLIKOVNO IN DIMENZIJSKO STABILNOST V SPREMINJAJOČIH KLIMATSKIH
POGOJIH
DIPLOMSKO DELO
Visokošolski strokovni študij – 1. stopnja
Ljubljana, 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ODDELEK ZA LESARSTVO
Matevž KOKOT
VPLIV SESTAVE 3D NATISNJENIH KOMPOZITNIH GRADIV NA OBLIKOVNO IN DIMENZIJSKO STABILNOST V
SPREMINJAJOČIH KLIMATSKIH POGOJIH
DIPLOMSKO DELO
Visokošolski strokovni študij ‒ 1. stopnja
INFLUENCE OF THE COMPOSITION OF 3D PRINTED COMPOSITES ON SHAPE AND DIMENSIONAL STABILITY
UNDER CHANGING CLIMATIC CONDITIONS
B. SC. THESIS
Professional Study Programmes
Ljubljana, 2021
Diplomsko delo je zaključek Visokošolskega strokovnega študija Lesarsko inženirstvo – 1.
stopnja. Delo je bilo opravljeno na Katedri za lepljenje, lesne kompozite, obdelavo površin in konstruiranje ter na Katedri za tehnologijo lesa.
Senat Oddelka za lesarstvo je za mentorja diplomskega dela imenoval doc. dr. Mirka Kariža, za somentorja izr. prof. dr. Aleša Stražeta, za recenzentko pa prof. dr. Manjo Kitek Kuzman.
Komisija za oceno in zagovor:
Predsednik:
Član:
Član:
Datum zagovora:
Matevž Kokot
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA
ŠD Dv1
DK UDK 630*862:004.356.2
KG 3D tisk, 4D tisk, lesno–plastični kompoziti, dimenzijska stabilnost AV KOKOT, Matevž
SA KARIŽ, Mirko (mentor)/STRAŽE, Aleš (somentor)/KITEK KUZMAN, Manja (recenzent)
KZ SI-1000 Ljubljana, Rožna dolina c. VIII/34
ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Visokošolski študijski program 1. stopnje Lesarsko inženirstvo
LI 2021
IN VPLIV SESTAVE 3D NATISNJENIH KOMPOZITNIH GRADIV NA
OBLIKOVNO IN DIMENZIJSKO STABILNOST V SPREMINJAJOČIH KLIMATSKIH POGOJIH
TD Diplomsko delo (Visokošolski strokovni študij - 1. stopnja) OP IX, 60 str., 10 pregl., 51 sl., 2 pril., 23 vir.
IJ sl JI sl/en
AI V okviru diplomske naloge smo proučevali osnovne mehanske lastnosti in dimenzijsko stabilnost 3D natisnjenih vzorcev iz štirih različnih materialov v spreminjajočih se klimatskih pogojih. Uporabili smo čisti PLA ter tri lesno-plastične kompozite z različnimi deleži lesa (do 40 %, 15 % in 25 %). Vzorce smo najprej navlaževali, nato pa smo jih sušili ter spremljali njihove dimenzijske spremembe. S pridobljenimi informacijami o izbranih materialih smo se lotili priprave in izdelave vzorcev iz dveh različnih materialov (PLA in lesno-plastični kompozit) v različnih debelinah plasti v sestavljenem vzorcu. Za lažjo predstavo, kako se bodo naši preizkušanci odzivali, smo izpeljali računalniške simulacije v programu SolidWorks ter izbrali optimalne kombinacije debelin plasti in materialov, ki naj bi v spreminjajočih se klimatskih pogojih dosegli največje spremembe oblike. Material PLA je bil v vseh primerih izbran za pasivno plast, za aktivno plast smo izbrali materiala s 15 % in 25 % deležem lesenega prahu. Pri tako natisnjenih elementih smo ugotavljali njihov odziv na izpostavitev v vlažni klimi (RZV 88 %). S kombinacijo dveh materialov v enem elementu in z izpostavitvijo teh elementov v vlažni klimi smo sprožili avtonomen odziv sistemov (vzorci so se samodejno odklonili). Najbolj so spremenili obliko – se odklonili vzorci, ki so imeli v aktivni plasti material z večjim deležem lesa, na velikost in hitrost odklona pa vpliva tudi razmerje med debelino plasti PLA in lesno-plastičnega kompozita.
KEY WORDS DOKUMENTATION
ND Dv1
DC UDC 630*862:004.356.2
CX 3D print, 4D print, wood-plastic composite filament, dimensional stability AU KOKOT, Matevž
AA KARIŽ, Mirko (supervisor)/STRAŽE, Aleš (co-advisor)/KITEK KUZMAN, Manja (reviewer)
PP SI-1000 Ljubljana, Rožna dolina c. CIII/34
PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Wood Science and Technology, Professional Study Programme in Wood Engineering
PY 2021
TY INFLUENCE OF THE COMPOSITION OF 3D PRINTED COMPOSITES ON SHAPE AND DIMENSIONAL STABILITY UNDER CHANGING CLIMATIC CONDITIONS
DT B. Sc. Thesis (Professional Study Programmes) NO IX, 60 p., 10 tab., 51 fig., 2 ann., 23 ref.
LA sl Al sl/en
AB In the thesis, we studied the basic mechanical properties and dimensional stability of 3D printed samples from four different materials in changing climatic conditions. We used pure PLA and three wood-plastic composites, with different wood ratios (up to 40 %, 15 %, and 25 %). The samples were first moistened, then dried and their dimensional changes monitored. With the obtained information on selected materials, we started preparing and making samples from two different materials (PLA and wood-plastic composite) in different layer thicknesses in the composite sample. To make it easier to see how our tests will respond, we performed computer simulations in SolidWorks and selected the optimal combinations of layer thicknesses and materials to achieve the greatest shape changes in changing climatic conditions. In all cases, the PLA material was selected as the passive layer, and the material with the 15 % and 25 % wood dust content was chosen as the active layer.
In the case of such printed elements, we determined their response to exposure in a humid climate (RZV 88 %). By combining two materials in one element and exposing these elements in a humid climate, we triggered an autonomous response of the systems (samples were automatically curved. The samples, which had material with a higher proportion of wood in the active layer, changed the shape – curved the most, and the size and velocity of the deformation are also influenced by the ratio between the thickness of the PLA layer and the wood-plastic composite.
KAZALO VSEBINE
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ... II KEY WORDS DOKUMENTATION ... III KAZALO VSEBINE ... IV KAZALO SLIK ... VI KAZALO PRILOG ... IX
1 UVOD ... 1
1.1 PROBLEM ... 1
1.2 CILJI IN HIPOTEZE ... 2
2 PREGLED OBJAV ... 3
2.1 DODAJALNE TEHNOLOGIJE IZDELAVE (3D TISK) ... 3
2.1.1 FDM tehnika tiska ... 4
2.2 PREDNOSTI UPORABE 3D TISKALNIKA IN UPORABA NARAVNIH MATERIALOV ... 6
2.2.1 Les in 3D tisk ... 6
2.3 4D TISK ... 8
2.3.1 Polimeri z oblikovnim spominom (Shape memory polymers)... 9
2.4 4D TISK IN SPROŽILCI ODZIVA ... 11
2.4.1 Fizikalni sprožilci ... 11
2.5 LES IN 4D TISK ... 13
2.5.1 Preizkušanje obnašanja lesnega furnirja s spreminjanjem relativne vlažnosti ... 13
2.5.2 Obnašanje 3D natisnjenih elementov v različnih vlažnostnih pogojih ... 13
2.6 HIGROSKOPSKI MATERIALI KOT TRAJNOSTNI IN ODZIVNI ELEMENTI V ARHITEKTURI ... 15
2.6.1 Higroskopnost 3D natisnjenih elementov ... 15
3 MATERIAL IN METODE ... 17
3.1 MATERIALI ... 17
3.1.1 Polilaktična kislina (PLA) ... 17
3.1.2 Lesno plastični kompoziti ... 17
3.2 METODE DELA ... 19
3.2.1 3D tiskalnik CREALITY CR-10 V3 ... 19
3.2.2 Določanje osnovnih lastnosti izbranih materialov ... 20
3.2.2.1 Upogibna trdnost in modul elastičnosti ... 20
3.2.2.2 Dimenzijska stabilnost ... 21
3.2.3 Simulacije ukrivljanja preizkušancev s pomočjo programske opreme SolidWorks ... 24
3.2.4 Merjenje odklona elementov, natisnjenih iz dveh različnih materialov pri izpostavitvi v vlažni klimi ... 26
3.2.5 Vrednotenje izmerjenih podatkov pri stacionarnih pogojih navlaževanja (RZV 88 %, T = 20 °C) ... 32
4 REZULTATI IN MERITVE ... 34
4.1 MEHANSKE IN FIZIKALNE LASTNOSTI 4D NATISNJENIH ELEMENTOV IN UPORABLJENIH MATERIALOV ... 34
4.1.1 Modul elastičnosti ... 34
4.1.2 Dimenzijska stabilnost ... 35
4.1.2.1 Navlaževanje vzorcev ... 35
4.1.2.2 Sušenje vzorcev ... 36
4.1.2.3 Primerjava podatkov navlaževanja in sušenja vzorcev ... 37
4.2 ODZIV 4D NATISNJENIH ELEMETNTOV NA SPREMEMBO KLIMATSKIH POGOJOEV ... 40
4.2.1 Rezultati odziva elementov iz simulacije v programu SolidWorks ... 40
4.2.2 Upogibni odklon 4D natisnjenih elementov v vlažni klimi ... 41
4.2.3 Slikovni prikaz odklona 4D natisnjenih elementov (RZV 88 %, T = 20 °C) 42 4.3 ANALIZA HITROSTI ODZIVA 4D NATISNJENIH ELEMENTOV ... 45
4.3.1 Obdelava podatkov odklona in spremembe mase 4D natisnjenih elementov ... 45
4.3.1.1 Določanje časovne konstante za odklon 4D natisnjenih elementov ... 45
4.3.1.2 Določanje časovne konstante za spremembo mase 4D natisnjenih elementov 45 4.3.2 Primerjava izmerjenih vrednosti spremembe mase 4D natisnjenih kompozitov z analitičnimi modelom ... 46
4.3.3 Primerjava izmerjenih vrednosti upogibnega odklona 4D natisnjenih kompozitov z analitičnim modelom ... 50
5 RAZPRAVA IN SKLEPI ... 54
6 POVZETEK ... 58
7 VIRI ... 59
KAZALO SLIK
Slika 1 Iskanje termina "3D-printing" v spletnem brskalniku Google (Google trends, 2020)
... 3
Slika 2 Primerjava cene posameznih kosov s kompleksnostjo in prilagodljivostjo (Conner in sod. 2014) ... 4
Slika 3 Termoplastični materiali po uporabnosti (Bournias, 2019)... 4
Slika 4 Proces izdelave izdelka s pomočjo FDM metodo 3D tiskanja (Bryll in sod., 2018) 5 Slika 5 Cena polnil v polimernih kompozitih v $/kg (Hančič, 2006)... 7
Slika 6 4D tisk (O´Neal, 2020) ... 8
Slika 7 Možna distribucija materialov pri uporabi različnih materialov v 4D tisku (Tan in sod., 2019) ... 9
Slika 8 (Princip delovanje zlaganja avtonomne škatlice (Faresellouz, 2018) ... 10
Slika 9A Škatlica s sposobnostjo avtonomnega zlaganja z različnimi materiali na robovih, 9B Avtonomno zlaganje škatlice (Tan in sod., 2019) ... 10
Slika 10 Preoblikovanje materiala pri izpostavitvi temperaturi (Tan in sod., 2019) ... 11
Slika 11 Prikaz avtonomnega odpiranja in zapiranja stožca iz furnirja (Zuluaga in Menges, 2015) ... 13
Slika 12 Primerjava izdelka iz furnirja in izdelka, narejenega s pomočjo 3D tiskalnika (Zuluaga in Menges, 2015) ... 14
Slika 13 Uporaba več različnih materialov za en element (Zuluaga in Menges, 2015) ... 14
Slika 14 Združevanje aktivne in pasivne plasti v en element (Holstov in sod., 2015) ... 15
Slika 15 Odpiranje in zapiranje storža v razližnih vlaznostnih pogojih (Holstov in sod., 2015) ... 16
Slika 16 Avtonomno odpiranje in zapiranje stenskih loput (Holstov in sod., 2015) ... 16
Slika 17 Površina 3D natisnjenih elementov, narejenih s filamentov z različnimi deleži lesa (20-kratna povečava) (Kariž in sod., 2017) ... 18
Slika 18 Tiskanje vzorcev (Lasten arhiv, 2021) ... 19
Slika 19 3D tiskalnik CREALITY CR-10 V3 (Levo) (creality3dofficial.com, 2021), priprava modela za tiskanje v Cura 4.8. (Desno) (Lasten arhiv, 2021) ... 19
Slika 20 Testiranje mehanskih lastnosti materialov (Lasten arhiv, 2021) ... 20
Slika 21 Merjenje dimenzijske stabilnosti (Lasten arhiv, 2021) ... 21
Slika 22 Vzorci v sušilnem kanalu pri 80 % RZV (Lasten arhiv, 2021) ... 22
Slika 23 Priprava simulacije v progamu SolidWorks (Lasten arhiv, 2021) ... 25
Slika 24 Končana simulacija v programu SolidWorks (Lasten arhiv, 2021) ... 25
Slika 25 Odklon zaradi kombiniranja pasivne in aktivne plasti (Grönquist in sod., 2019) . 26 Slika 26 Merilna mreža (Lasten arhiv, 2021) ... 27
Slika 27 Izdelovanje merilnih ploščic (Lasten arhiv, 2021) ... 28
Slika 28 Sistem vpetja (Lasten arhiv, 2021) ... 28
Slika 29 Merilna ploščica z vzorcem (Lasten arhiv, 2021) ... 29
Slika 30 Držala vzorcev za merjenje odklona (Lasten arhiv, 2021) ... 29
Slika 31 Vzorci v vlažni komori (RZV 88 %, T = 20 °C) (Lasten arhiv, 2021) ... 30
Slika 32 Spremljanje odmikov s fotografiranjem (Lasten arhiv, 2021) ... 30
Slika 33 Določevanje referenčne razdalje pri merjenju odmika (Lasten arhiv, 2021) ... 31
Slika 34 Merjenje odmika s pomočjo računalniškega programa imageJ (Lasten arhiv, 2021) ... 31
Slika 35 Modul elastičnosti uporabljenih materialov pri različnih vlažnostnih pogojih ... 34
Slika 36 Sprememba dolžine vzorcev pri izpostavitvi v vlažni klimi (RZV 80 %, T = 20 °C) ... 35
Slika 37 Sprememba mase vzorcev pri izpostavitvi v vlažni klimi (RZV 80 %, T = 20 °C) ... 36
Slika 38 Sprememba dolžine vzorcev pri izpostavitvi v suhi klimi (RZV 20 %, T = 20 °C) ... 36
Slika 39 Sprememba mase vzorcev pri izpostavitvi suhi klimi (RZV 20%, T = 20 °C) ... 37
Slika 40 Sprememba povprečne dolžine vzorcev (pri navlaževanju in sušenju) ... 38
Slika 41 Sprememba mase (navlaževanje in sušenje) ... 39
Slika 42 Upogib odklona 4D natisnjenih elementov pri izpostavitvi v vlažni klimi (RZV 88 %, T = 20 °C)... 41
Slika 43 Sprememba mase 4D natisnjenih elementov pri izpostavitvi v vlažni klimi (RZV 88 %, T = 20 °C)... 42
Slika 44 Sprememba upogibnega odklona vzorcev z aktivno plastjo WPL15 po 0 h, 1 h, 2,5 h, 4 h, 6 h, 23 h, 27 h, 49,5 h in 53,5 h od začetka izpostavitve vlažni klimi (Lasten arhiv, 2021) ... 43
Slika 45 Sprememba upogibnega odklona vzorcev z aktivno plastjo WPL25 po 0 h, 1 h, 2,5 h, 4 h, 6 h, 23 h, 27 h, 49,5 h in 53,5 h od začetka izpostavitve vlažni klimi (Lasten arhiv, 2021) ... 44
Slika 46 Primerjava spremembe mase, izmerjenih vrednosti spremembe mase 4D natisnjenih kompozitov, z analitičnim modelom, pri uporabi WPL15 za aktivno plast. Od zgoraj navzdol si sledijo različne kombinacije kompozitov: 0.3 PT WPL15; 0,6 PT WPL 15, 0.9 PT WPL15; 1,2 PT WPL15; 1,5 PT WPL15; WPL15 (Grafi na levi strani: dimenzijska sprememba E v odvisnosti od časa, grafi na desni strani: sprememba mase v odvisnosti od časa). ... 47
Slika 47 Primerjava spremembe mase, izmerjenih vrednosti spremembe mase 4D natisnjenih kompozitov, z analitičnim modelom, pri uporabi WPL25 za aktivno plast Od zgoraj navzdol si sledijo različne kombinacije kompozitov: 0.3 PT WPL25; 0,6 PT WPL 25, 0.9 PT WPL25; 1,2 PT WPL25; 1,5 PT WPL25; WPL25 (Grafi na levi strani: brez dimenzijska sprememba E v odvisnosti od časa, grafi na desni strani: sprememba mase v odvisnosti od časa). ... 49
Slika 48 Primerjava upogibnega odklona, izmerjenih vrednosti upogibnega odklona 4D natisnjenih kompozitov, z analitičnim modelom, pri uporabi WPL15 za aktivno plast. Od zgoraj navzdol si sledijo različne kombinacije kompozitov: 0.3 PT WPL15; 0,6 PT WPL 15, 0.9 PT WPL15; 1,2 PT WPL15; 1,5 PT WPL15 (Grafi na levi strani: brez dimenzijska sprememba E v odvisnosti od časa, grafi na desni: strani upogibni odklon v odvisnosti od časa). ... 51
Slika 49 Primerjava upogibnega odklona, izmerjenih vrednosti upogibnega odklona 4D natisnjenih kompozitov, z analitičnim modelom, pri uporabi WPL25 za aktivno plast Od zgoraj navzdol si sledijo različne kombinacije kompozitov: 0.3 PT WPL25; 0,6 PT WPL 25, 0.9 PT WPL25; 1,2 PT WPL25; 1,5 PT WPL25 (Grafi na levi strani: brez dimenzijska sprememba E v odvisnosti od časa, grafi na desni: strani upogibni odklon v odvisnosti od časa). ... 53
Slika 50 Prikaz interakcije pasivne in aktivne plasti (Grönquist in sod., 2019) ... 55
Slika 51 Odklon pri razmerju 2:4 (PT:WPL25) (Levo) in 3:3 (PT:WPL25) (Desno), (Lasten arhiv, 2021) ... 56
KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 1 Poimenovanje posameznih materialov ... 17 Preglednica 2 Simulacije SW razmerje uporabljenih materialov ... 24 Preglednica 3 Razmerje plasti različnih materialov ... 27 Preglednica 4 Izračunane povprečne vrednosti modula elastičnosti (MOE) testiranih materialov ... 34 Preglednica 5 Absolutni in relativni vzdolžni nabrek, ter diferencialni nabrek testiranih materialov (RZV 80 %, T = 20 °C) ... 35 Preglednica 6 Absolutna in relativna sprememba mase po navlaževanju ... 36 Preglednica 7 Izračunan največji upogibni odklon elementov iz simulacije v programu SolidWorks (RZV 80 %, T = 20 °C) ... 40 Preglednica 8 Hitrost odziva pri higromehanskem upogibanju 4D natisnjenih vzorcev, določena s časovno konstanto τ ... 45 Preglednica 9 Hitrost odziva pri navlaževanju 4D natisnjenih preizkušancev v vlažni klimi (RZV 88 %, T = 20 °C), določena s časovno konstanto τ ... 46 Preglednica 10 Primerjava največjih izmerjenih upogibnih odmikov 4D natisnjenih
kompozitov z rezultati iz simulacije v programu SolidWorks ... 57
KAZALO PRILOG
Priloga A1 Priloga A2
1 UVOD
Tehnologija 3D tiskanja je v zadnjem času zelo napredovala. Z razvijanjem tehnologije se povečuje tudi nabor različnih materialov, primernih za uporabo pri 3D tiskanju: od različnih polimerov, kombinacij polimerov in naravnih materialov do kovin. Izbira materiala je odvisna od želenih lastnosti končnega izdelka in tehnologije, ki je na voljo. Z odkrivanjem novih materialov in napredovanjem tehnologije tiska se odpirajo nove možnosti izdelave in uporabe končnih izdelkov.
V zadnjem času je velik poudarek na razvoju materialov, izdelanih iz naravnih surovin s čim manjšim vplivom na okolje. Les kot eden najrazsežnejših naravnih materialov se pojavlja tudi kot material, primeren za uporabo pri 3D tiskanju. Les se v obliki prahu/vlaken dodaja različnim polimerom, tako dobimo lesno-plastičen kompozit. Z vključevanjem različnih deležev lesa se spreminjajo tudi karakteristike končnih izdelkov, izdelanih s pomočjo 3D tiskalnikov. Lastnosti končnih izdelkov so odvisne od deleža lesa, velikosti delcev in vrste polimera.
1.1 PROBLEM
Na lastnosti 3D natisnjenih kompozitnih gradiv pa ne vplivamo samo z lastnostmi vhodnega materiala, temveč tudi s sestavo: lahko kombiniramo materiale z različnim dimenzijskim delovanjem, higroskopnostjo in togostjo, hkrati pa lahko variiramo tudi njihove deleže ter razporeditev v 3D kompozitu. Z uporabo dveh med seboj različnih materialov, na primer kot kombinacija plastičnega polimera in lesno plastičnega kompozita, dobimo kompozitna gradiva z različnimi togostmi in trdnostmi, drugačno dimenzijsko stabilnostjo ter celo s spremenljivo obliko ob navlaževanju ali sušenju. Primerno zasnovan in natisnjen 3D kompozit bi lahko služil npr. kot loputa pri prezračevalnem sistemu ali kot element aktivne fasade.
1.2 CILJI IN HIPOTEZE
Proučevali bomo dimenzijsko delovanje in stabilnost geometrije 3D natisnjenih kompozitnih preizkušancev. Preizkušanci bodo sestavljeni iz več materialov, tj. iz polimerov z različnim deležem lesa, z različnim dimenzijskim delovanjem, ter bodo izpostavljeni različno vlažnim klimatskim pogojem. Raziskali bomo povezavo med sestavo 3D natisnjenih kompozitnih preizkušancev ter njihovo spremembo oblike ob spremembi klime. Na podlagi uporabe različnih materialov in kombinacije le-teh bomo lahko zasnovali element s predvidljivim spreminjanjem oblike ob spremembi klime okolice.
Delovne hipoteze:
Predvidevamo, da sta dimenzijsko delovanje in sprememba oblike 3D natisnjenih kompozitov, sestavljenih iz polimerov z različnim deležem lesa, odvisna od lastnosti, razmerij in konstrukcijske sestave teh kompozitnih gradiv.
Ob določitvi dimenzijskega delovanja, higroskopnosti in elastomehanskih lastnosti osnovnih materialov ter sestavljenega 3D kompozita bomo lahko predvideli in napovedovali spreminjanje oblike kompozita ob spremembi klimatskih pogojev v okolici.
2 PREGLED OBJAV
2.1 DODAJALNE TEHNOLOGIJE IZDELAVE (3D TISK)
Postopek 3D tiskanja spada v kategorijo dodajalnih tehnik izdelave. Velika prednost takih tehnologij izdelave je, da nimamo odpadnega materiala in da izdelek ustvarimo direktno iz digitalnega 3D modela, brez izdelave kalupov in izdelave posebnih orodij. 3D tiskalniki dodajo material po plasteh, doda se toliko materiala in tam, kjer je potrebno, da dobimo želeno končno obliko.
Z razvijanjem tehnologije 3D tiska in odkrivanjem novih načinov uporabe 3D natisnjenih elementov se povečuje tudi zanimanje na temo 3D tiskanja. Graf prikazuje naraščanje iskanja termina »3D printing« v spletnem brskalniku Google (Slika 1).
Slika 1 Iskanje termina "3D-printing" v spletnem brskalniku Google (Google trends, 2020)
Uporaba dodajalnih tehnologij je smiselna predvsem pri kompleksnih izdelkih, malih serijah ter izdelkih, prilagojenih posameznemu kupcu. Z naraščanjem zahtevnosti izdelave in s povečanjem prilagodljivosti izdelkov se dviguje cena izdelave posameznih kosov po klasičnih odrezovalnih tehnologijah. Pri zahtevnosti kosov izdelave do točke preloma je smiselno uporabiti načine izdelave, pri čemer se material odvzema. Ko s kompleksnostjo in prilagodljivostjo presežemo točko preloma, pa je bolj smiselno uporabiti načine izdelave, pri čemer se material dodaja (npr. 3D tisk) (Slika 2).
Slika 2 Primerjava cene posameznih kosov s kompleksnostjo in prilagodljivostjo (Conner in sod. 2014)
Prvi preskok in opazno povečano zanimanje na temo 3D tiska je bil okrog leta 2013, od takrat pa se je zanimanje na to temo ustalilo. Slovenija je uvrščena na 19. mesto med vsemi državami sveta po zanimanju za temo 3D tiska. Največ zanimanja je v Singapurju, Južnoafriški republiki in Avstraliji (Google trends, 2020).
2.1.1 FDM tehnika tiska
FDM ali »Fused Deposition Modeling« je ena najbolj razširjenih oblik 3D tiskanja. FDM je način 3D tiskanja, pri čemer se material s pomočjo ekstrudiranja staljenega polimera nanaša na vsako plast posebej. Materiali, ki so primerni za uporabo pri FDM tehniki, morajo biti termoplastični polimeri. V veliki večini so dostopni v obliki filamenta. Največkrat se uporabljajo materiali, kot sta PLA in ABS. Za tehnološko zapletenejše ideje pa se lahko uporablja tudi materiale, kot so: PA, TPU, PETG, PEEK in PEI (Slika 3) (Bournias, 2019)
Slika 3 Termoplastični materiali po uporabnosti (Bournias, 2019)
Točka preloma
Postopek izdelave s FDM tehniko 3D tiskanja je preprost. Proces se začne z izdelavo 3D modela s pomočjo ene izmed CAD programske opreme. Model nato uvozimo v program, ki je podprt s strani izbranega 3D tiskalnika. Pri tem koraku je potrebno v program vnesti vse karakteristike 3D tiskanja. Določimo hitrost premikanja ekstrudorja, debelino posamezne plasti, temperaturo ekstrudorja in grelne mize in potrebna podporna območja. Sledi generiranje in izpis G–kode, ki se nato prenese na 3D tiskalnik. 3D tiskalnik zaženemo in počakamo, da je postopek 3D tiskanja končan (Slika 4) (Bryll in sod., 2018).
Slika 4 Proces izdelave izdelka s pomočjo FDM metodo 3D tiskanja (Bryll in sod., 2018)
2.2 PREDNOSTI UPORABE 3D TISKALNIKA IN UPORABA NARAVNIH MATERIALOV
Z razvojem tehnologij 3D tiska se je pojavilo tudi veliko zanimanje za združevanje te tehnologije z naravnimi materiali, kot je les. 3D tisk je najučinkovitejša metoda pri izdelavi kompleksnih elementov, pri čemer posamezni kosi nastajajo z dodajanjem materiala. S takšnim postopkom so odprte tudi nove možnosti uporabe in izdelave elementov.
Obstajajo vsaj trije različni načini, kako vključiti les v tehnologijo 3D tiska. Materiali za 3D tiskanje so kompoziti polimerov in lesenega prahu; pri izdelkih, ki posnemajo obliko in teksturo lesa; tretji način uporabe pa je uporaba več postopkov izdelave hkrati, kot je 3D tisk, skeniranje s 3D skenerji in nadaljnja CNC obdelava (Wimmer in sod., 2015).
Z vključevanjem lesa v sestavo vhodnega materiala, primernega za uporabo s 3D tiskalnikom, se odpirajo nove možnosti uporabe. Ob tem se pojavljajo tehnološki izzivi kot tudi vprašanje o možnostih 3D tiskanja izdelkov poljubnih oblik, in ob tem zadržati lastnosti lesa (Zuluaga in Menges, 2015). Z uporabo lesno-plastičnih kompozitov za 3D tisk, ki so bili izdelani iz lesnih ostankov, pa tem manjvrednim ostankom dvignemo dodano vrednost (Kariž in sod., 2018). Možna je tudi uporaba že odsluženega lesa v teh filamentih ter s tem ponovna uporaba in reciklaža materialov.
2.2.1 Les in 3D tisk
Najbolj razširjeni postopki pri oblikovanju lesa delujejo na principu odvzemanja materiala.
Velika pomanjkljivost takih operacij je veliko odpadnega materiala ter omejitve pri obliki izdelka. Pri oblikovanju lesenih izdelkov in obdelavi lesa so največkrat uporabljeni postopki žaganje, rezkanje, vrtanje, skobljanje in brušenje. S pomočjo tehnike dodajanja materiala, kot je 3D tisk, se odprejo nove možnosti izdelave in uporabe izdelkov. Izdelki, narejeni s pomočjo 3D tiskalnikov, imajo možnost kompleksnejše konstrukcije in so primernejši za izdelavo v manjših serijah, ter kot začetni prototipi. Zahtevnejša kot je oblika posameznih elementov, večjo prednost ima uporaba 3D tiskalnika za izdelavo želenih elementov (Wimmer in sod., 2015).
S povečevanjem zahtev trga po vedno novih in zanimivejših izdelkih se razvijajo tudi nove tehnologije 3D tiska. Z razvijanjem tehnologije 3D tiska pa se vzporedno razvijajo tudi novi, naravni in okolju prijazni materiali.
Med naravnimi materiali, primernimi za 3D tiskalnike, je razširjena uporaba lesa.
Uporabimo lahko lesne ostanke iz lesnopredelovalne industrije oziroma z ustrezno predelavo lahko uporabimo tudi biomaso iz lesnatih rastlin. Lesne ostanke je potrebno pred uporabo ustrezno predelati. Po navadi se lesne ostanke zmelje, da dobimo ustrezno velikost delcev oziroma vlaken. Delce zahtevane velikosti nato uporabimo kot polnilo ali ojačitveni dodatek pri sestavi materialov, primernih za uporabo s 3D tiskalnikom.
Za 3D tisk je les primeren v kateri koli obliki, največkrat se ga uporablja v obliki lesenega prahu (delci ustrezne velikosti). Uporabimo pa lahko tudi lesna vlakna ali pa les dodajamo v obliki osnovnih strukturnih komponent, kot so celuloza oz. nanoceluloza ter lignin.
Uporaba lesa kot primerne dodatne surovine v materialih za 3D tiskanje, je vedno bolj razširjena. Z njegovim vključevanjem končni material prevzame tudi nekatere lastnosti lesa.
Poleg lastnosti lesa pa je les eden najcenejših naravnih materialov, ki se vključuje pri 3D tisku. Les kot primerno polnilo materialov, primernih za uporabo s 3D tiskalniki, je najcenejši tudi med bolj tradicionalnimi polnili, kot so steklena in karbonska vlakna (Slika 5) (Kariž in sod., 2017).
Slika 5 Cena polnil v polimernih kompozitih v $/kg (Hančič, 2006)
2.3 4D TISK
4D tisk je v tesni povezavi s 3D tiskom in prav tako spada v kategorijo dodajalne tehnike izdelave, kjer izdelek nastaja z nalaganjem vsake plasti posebej. 4D tisk doda 3D tisku novo, dodatno, t. i. spreminjajočo dimenzijo ali geometrijo. Za doseganje tega cilja se v 4D tisku uporabljajo materiali, ki so glede na zunanje dražljaje oz. termodinamske ali elektro magnetne spremembe v okolici zmožni spreminjanja svoje oblike in strukture (Slika 6) (Taylor–Smith, 2020). Posebnost izdelkov 4D tiska je, da so izdelki sposobni večkrat spremeniti svojo obliko oziroma sestavo tudi po koncu tiskanja (Young, 2019).
Slika 6 4D tisk (O´Neal, 2020)
4D tisk je trenutno še v razvojni fazi. Veliko laboratorijev se ukvarja z odkrivanjem možnosti uporabe 4D tiska. Na univerzi MIT v Cambridgeu so leta 2013 odprli laboratorij, Self–
Assemblay Lab, ki se od leta 2017 aktivno ukvarja z možnostjo programiranja 4D natisnjenih elementov. Na področju 4D tiska raziskujejo tudi v podjetju Stratasys (Rehovot, Izrael), ki je eno večjih podjetji pri razvoju 3D tiska. V podjetju izdelujejo 3D tiskalnike in vso pripadajočo opremo. Delujejo na področjih avto industrije, letalske in vesoljske industrije ter proizvodne industrije na splošno (SIEMENS). Vodilno podjetje pri razvoju 4D tiska je tudi podjetje Autodesk (San Rafael, Kalifornija, ZDA). Autodesk je eno najbolj prepoznavnih podjetij na področju razvoja programske opreme za 3D modeliranje.
4D elementi za spreminjanje svoje oblike ali sestave potrebujejo tako imenovane sprožilce odziva, kot so voda (vlaga), temperatura (toplota), veter, svetloba, električno polje. Preden v delovanje elementa vključimo sprožilce odziva, moramo uporabiti primeren material ali kombinacijo materialov, ki se odzivajo na enega od le-teh. Sprožilci delujejo s pomočjo spremembe stanja. V klimi spremenimo temperaturo ali vlago, na določeno mesto usmerimo svetlobo in počakamo, da element spremeni svojo obliko ali stanje. Ena večjih prednosti 4D tiska je uporaba že obstoječe tehnologije 3D tiska in primernih materialov za tiskanje (Young, 2019).
Tehnologija 4D tiska je danes na stopnji razvoja in raziskovanja. 4D tehnologijo je danes mogoče zaslediti na nekaterih umetnostnih in oblikovalskih razstavah, tudi pri nekaterih arhitekturnih razstavah. Danes sicer v vsakdanjem življenju izdelki 4D tiska še niso prisotni, jih pa je vsekakor mogoče pričakovati v uporabi v bližnji prihodnosti. Verjetno jih bomo uporabljali v obliki medicinskih vsadkov, farmacevtskih zdravil in avtonomnih mehanskih sistemov. Takšni sistemi se bodo samostojno prilagajali glede na spremembe v okolju (Young, 2019).
2.3.1 Polimeri z oblikovnim spominom (Shape memory polymers)
Materiali z možnostjo spomina oblike so zmožni spreminjati svojo fizično obliko ali termo- mehanske značilnosti. Takšni materiali so npr. sposobni absorbirati velike količine vode in jih je mogoče nastavljati, da se krčijo ali nabreknejo. Pomembnejša lastnost materialov z možnostjo spomina oblike je, da so se sposobni po spremembi oblike ali strukture vrniti v začetno stanje. Vse te spremembe je mogoče programirati s pomočjo sprožilcev, ki sprožijo odziv, spremembo v samem elementu (Taylor–Smith, 2020).
4D natisnjeni elementi imajo možnost spreminjanja svojih značilnosti in funkcije (uporabnost), glede na spremembe v okolju. Odzivi končnih elementov so mogoči ob uporabi pametnih in stimulativnih materialov. Odziv 4D natisnjenih elementov lahko dosežemo tudi z uporabo več različnih materialov hkrati. Eno plast elementa natisnemo iz ene vrste filamenta, drugo pa iz drugačne vrste, končni element je sestavljen iz vsaj dveh različnih vhodnih materialov. Takšna kombinacija materialov omogoča preoblikovanje elementa po koncu tiskanja. Odziv je avtonomen glede na spremembe okolja.
Pri uporabi več različnih materialov sta pomembni orientacija in distribucija posameznega materiala (Slika 7). Upoštevati je potrebno posamezne karakteristike materiala, krčenje in nabrekanje pri določeni stopnji izpostavljenosti. S kombinacijo različnih materialov ob nadzorovanju oblikovanja spoja med materiali lahko dosežemo avtonomne odzive glede na spremembe okolja. S takšnim principom pride v večini primerov do upogibanja, zavijanja ali nabrekanja. Odzivi končnega elementa so avtonomni (Tan in sod. 2019).
Slika 7 Možna distribucija materialov pri uporabi različnih materialov v 4D tisku (Tan in sod., 2019)
Princip delovanja avtonomne škatlice (Slika 8). Škatlica je sestavljena iz več različnih materialov. Na različnih robovih so uporabljeni trije različni materiali z drugačnimi lastnostmi. Robovi omogočajo samostojno prepogibanje robov, kar omogoča avtonomno zlaganje stranic (Slika 9A). Materiali, uporabljeni na robovih, imajo različne temperature steklastega prehoda (Tg). Material z nižjo točko Tg se pri segrevanju prepogne najprej, sledi material z višjo točko Tg, ki se upogne kasneje. To omogoča škatlici, da se na koncu pravilno avtonomno zloži (Slika 9B) (Tan in sod. 2019).
Slika 8 (Princip delovanje zlaganja avtonomne škatlice (Faresellouz, 2018)
Slika 9A Škatlica s sposobnostjo avtonomnega zlaganja z različnimi materiali na robovih, 9B Avtonomno zlaganje škatlice (Tan in sod., 2019)
2.4 4D TISK IN SPROŽILCI ODZIVA
Veliko podjetji in organizacij po svetu želi odkriti nove in zanimivejše materiale s posebnimi lastnostmi in odzivi na spremembe V OKOLJU. Podjetja so na lovu za materiali z izjemnimi sposobnostmi in lastnostmi. Odkritih je bilo že veliko različnih stimulantov ali sprožilcev odziva za materiale in elemente v 4D tisku. Razdelimo jih lahko v skupine: fizikalni vzrok, kemijski vzrok, biološki vzrok in kombinacija različnih vzrokov.
2.4.1 Fizikalni sprožilci
V skupino fizikalnih stimulantov odziva spadajo temperatura, vlaga, svetloba, magnetno polje in elektro stimulanti. Te sprožilci odziva pretvarjajo zunanjo dinamiko elementov ali pa spremenijo dinamiko atomov v sami sestavi materiala. Oba vpliva se kot rezultat pokažeta v spremembi oblike oziroma odziv na spremembo okolja.
Temperatura:
Največ praktično eksperimentalnih raziskav se osredotoča na uporabo temperature kot zunanjega sprožilca odziva. Običajno je prvi korak tiskanje izdelka, narejenega iz materiala z možnostjo oblikovnega spomina. Končan izdelek je nato postopoma izpostavljen temperaturi pri primernih pogojih. Primer obremenjevanja izdelka z mehanskimi obremenitvami in izpostavitev temperaturi nad točko steklastega prehoda (Tg) (Slika 10).
Slika 10 Preoblikovanje materiala pri izpostavitvi temperaturi (Tan in sod., 2019)
Tekoča voda in vodna para
Tekoča voda kot tudi vodna para sta tudi eden od zanimivejših sprožilcev, kateremu je posvečene veliko pozornosti za odkrivanje tako imenovanih pametnih sprememb materialov.
Material se pri izpostavitvi površine oz. znižanju vsebnosti vlage dimenzijsko spremeni. Deli elementa, ki so higrofilni ali pa higroskopni, nabreknejo. Materiali, sposobni preoblikovanja pri izpostavitvi spremembe vlage v okolici, ponujajo velik spekter uporabe. Ob preprostosti sprožitve odziva pa imajo takšni materiali nekaj pomanjkljivosti, kot so dolgi reakcijski časi, poslabšane mehanske sposobnosti. Material lahko celo razpade pri večkratnih ponovitvah in izpostavitvah vlagi (material večkrat absorbira in desorbira vlago), zaradi tega je vprašljiva tudi življenjska doba takšnega materiala.
Svetloba
Svetloba kot sprožilec odziva ima veliko prednosti. Njena oblika je ponavljajoča, lahko jo natančno usmerimo in ima obstojne lastnosti. S svetlobo lahko na določenih elementih spreminjamo tako obliko kot tudi velikost elementov.
Magnetno polje
Magnetno sevanje in magnetno odzivni materiali so danes že zelo znani v medicini. Danes magnetna polja v medicini omogočajo učinkovito in varno delo. Manipulacija s pomočjo magneta deluje brezkontaktno. Hitra odzivnost materialov na magnetno polje je lahko dosežena s ponavljajočim se vklapljanjem in izklapljanjem magneta.
Električno polje
Električno polje omogoča natančno manipulacijo posameznih celic, omogoča predpostaviti lokacijo ali točno določeno obliko ter usmerjenost celice (Lui in sod., 2019).
2.5 LES IN 4D TISK
Ideja o lesenih izdelkih s sposobnostjo avtonomnega spreminjanja oblike je nastala na podlagi opazovanja obnašanja smrekovih storžev. Smrekovi storži se glede na vlažnost v okolici sami odpirajo in zapirajo, četudi niso več del živega organizma in so že odpadli z drevesa (Zuluaga in Menges, 2015).
Tehnični sistemi, sposobni avtonomnega prilagajanja okolju, danes v večini delujejo s pomočjo senzorjev in krmilnikov. Naravni sistemi, ki se spreminjajo s pomočjo
spreminjanja pogojev v okolju, so veliko bolj zanesljivi in mehanske operacije opravljajo brez porabe električne energije (Zuluaga in Menges, 2015).
2.5.1 Preizkušanje obnašanja lesnega furnirja s spreminjanjem relativne vlažnosti Obnašanje naravnih materialov v spreminjajoči se klimi je bilo testirano na furnirju. Manjši, trikotni lističi furnirja so bili povezani v stožec. Stožec se na nizki relativni vlažnosti zraka na zgornji strani odpre, pri visoki relativni vlažnosti pa je zaprt (Slika 11) (Zuluaga in Menges, 2015).
Slika 11 Prikaz avtonomnega odpiranja in zapiranja stožca iz furnirja (Zuluaga in Menges, 2015)
2.5.2 Obnašanje 3D natisnjenih elementov v različnih vlažnostnih pogojih
Pri izdelavi furnirja smo pogojeni z velikostjo drevesnih debel in orientiranostjo vlaken, kar nam onemogoča izdelavo večjih velikosti izdelkov. S postopkom 3D tiskanja pa lahko oblikujemo avtonomne sisteme poljubnih velikosti (Zuluaga in Menges, 2015).
S postopkom 3D tiskanja lahko natančno in v poljubni obliki nanašamo material, cilj je, da je končna oblika izdelka podobna oblikam v naravi. 3D tisk je računalniško nadzorovan postopek, pri čemer se material nanaša postopno na vsako raven izdelka posebej (Zuluaga in Menges, 2015).
Z elementi, narejenimi s pomočjo 3D tiskalnika, dobimo podobne rezultate kot pri uporabi furnirja (Slika 12). Z uporabo različnih materialov in kombinacijo več materialov hkrati je mogoče izdelati komponente z različnimi funkcijami in prilagojenim obnašanjem v različnih klimatskih pogojih (sprememba vlažnosti in temperature) (Zuluaga in Menges, 2015) (Slika 13).
Slika 12 Primerjava izdelka iz furnirja in izdelka, narejenega s pomočjo 3D tiskalnika (Zuluaga in Menges, 2015)
Slika 13 Uporaba več različnih materialov za en element (Zuluaga in Menges, 2015)
Z vključevanjem lesnega prahu v lesno polimerne kompozite v filament za 3D tiskalnike vključimo tudi negativne lastnosti lesa (higroskopnost, krčenje in nabrekanje z spreminjanjem vsebnosti vlage in nagnjenost k okužbam gliv). Nekatere negativne lastnosti, kot je higroskopnost, pa lahko izkoristimo kot prednost pri uporabi lesno polimernih kompozitov. Lesno polimerne kompozite lahko uporabimo kot primeren material za 4D tisk, pri čemer izkoriščamo sposobnost spreminjanja materiala pri različnih klimatskih pogojih (Kariz in sod., 2018).
Pri testiranju filamentov z različnimi deleži lesnega prahu je bilo ugotovljeno, da se vzorci filamenta z višjo vsebnostjo lesenega prahu v vlažni klimi bolj dimenzijsko spreminjajo.
Mehanske lastnosti so se slabšale s povečevanjem deleža lesa, kar se prepisuje manj homogeni zgradbi natisnjenih delov (Kariz in sod., 2018).
2.6 HIGROSKOPSKI MATERIALI KOT TRAJNOSTNI IN ODZIVNI ELEMENTI V ARHITEKTURI
Sodobni pametni sistemi gradnje danes poizkušajo zmanjšati porabo energije z uporabo uveljavljenih pametnih sistemov. Pametni sistemi se s pomočjo sodobne tehnologije prilagajajo različnim klimam, so klimatsko odzivni. Takšni sistemi imajo slab izkoristek in nimajo elegance naravno odzivnih materialov. Tehnološki pametni sistemi nimajo inherentnih lastnosti naravnih materialov, kot jih imajo storži iglavcev (Holstov in sod., 2015).
Najučinkovitejši način zmanjšanja porabe energije zgradb in zmanjšanje nastanka CO2 je uporaba naravnih materialov, ki niso odvisni od drugih virov energije. Naravne materiale lahko uporabimo za vir toplotne energije, vir hlajenja in vir svetlobe (Holstov in sod., 2015).
Zanimanje za uporabo lesa kot primernega materiala za gradnjo se povečuje. Les je naravni material in prepoznaven kot trajen in obstojen material. Danes se les primerja z železnimi in betonskimi gradbenimi konstrukcijami. Les je obnovljiv material in ima sposobnost izmenjave vlage z okolico. S spoznavanjem lastnosti lesa in ugotavljanjem novih uporab lesnih materialov se odpirajo možnosti za uporabo lesa kot pametnega konstrukcijskega materiala s sposobnostjo izmenjave vlage z okolico (Holstov in sod., 2015).
2.6.1 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:
𝛦𝑚 = 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:
𝛼𝑉 = 𝑉𝑣𝑙− 𝑉0
𝑉0 × 100[%] … (2) V…prostornina [mm3],
vl…vlažno stanje,
0… suho stanje oz. začetno stanje.
Osni nabrek:
𝛼𝐿,𝑅,𝑇 = 𝐿𝑣𝑙, 𝑅𝑣𝑙, 𝑇𝑣𝑙− 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:
𝛽𝑉 =𝑉𝑣𝑙− 𝑉0
𝑉𝑣𝑙 × 100[%] … (4) V…prostornina [mm3],
vl…vlažno stanje,
0… suho stanje oz. začetno stanje.
Osni skrček:
𝛽𝐿,𝑅,𝑇 =𝐿𝑣𝑙, 𝑅𝑣𝑙, 𝑇𝑣𝑙− 𝐿0, 𝑅0, 𝑇0
𝐿𝑣𝑙, 𝑅𝑣𝑙, 𝑇𝑣𝑙 × 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
PT 0,3 mm WPT 1,5 mm PT 0,3 mm WPL15 1,5 mm PT 0,3 mm WPL25 1,5 mm 2:4
PT 0,6 mm WPT 01,2 mm PT 0,6 mm WPL15 1,2 mm PT 0,6 mm WPL25 1,2 mm 3:3
PT 0,9 mm WPT 0,9 mm PT 0,9 mm WPL15 0,9 mm PT 0,9 mm WPL25 0,9 mm 4:2
PT 1,2 mm WPT 0,6 mm PT 1,2 mm WPL15 0,6 mm PT 1,2 mm WPL25 0,6 mm 5:1
PT 1,5 mm WPT 0,3 mm PT 1,5 mm WPL15 0,3mm PT 1,5 mm WPL25 0,3 mm
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.
Tako smo v enačbo vpeljali začetno stanje vzorca (xz), stanje vzorca v določenem času (xt) ter končno oz. ravnovesno stanje (xr), ki je ekvivalentno stacionarnemu odzivu (G), ki je doseženo po dovolj dolgem času uravnovešenja. Zgornjo enačbo lahko nato za primer hipne obremenitve v času t = 0, z začetnim pogojem x = xz zapišemo v obliki:
