Выбор филамента для роботов-манипуляторов
80
FDM-печать стала одним из самых практичных способов изготовления деталей для любительских и малосерийных робототехнических проектов. Она даёт быстрое прототипирование, короткие итерации проектирования, низкую себестоимость и возможность изготавливать сложные детали без специальной оснастки. Конструкцию можно изменить, перепечатать и испытать за считаные часы, поэтому механизмы разрабатываются значительно быстрее, чем при традиционных методах производства. Кроме того, запасные детали и малые партии становятся доступными без дорогого оборудования и пресс-форм.
Несмотря на эти преимущества, FDM-печать создаёт ряд инженерных сложностей. Напечатанные детали, как правило, менее жёсткие и менее прочные, чем фрезерованные или литые; их механические свойства сильно зависят от ориентации печати из-за анизотропии между слоями, а многие распространённые материалы теряют жёсткость или деформируются уже при умеренных температурах. Итоговые характеристики определяются не только самим материалом, но и параметрами печати, геометрией детали и постобработкой.
Для роботов-манипуляторов эти ограничения напрямую влияют на работу в реальных условиях. Несущие детали должны выдерживать многократные нагрузки без чрезмерного изгиба, сохранять точность размеров, сопротивляться длительной деформации и надёжно работать в нагретой среде. Они также могут испытывать внезапные нагрузки при столкновениях, резких движениях, контакте с механическими упорами, случайных падениях или при сборке. Материал, хорошо ведущий себя при медленном или длительном нагружении, может треснуть при ударе.
В этой статье сравниваются несколько доступных на рынке филаментов, армированных углеволокном, вместе с эталонными обычными PLA и PETG. Цель — оценить их практическую пригодность для несущих деталей робототехники в реалистичных условиях печати. Вместо того чтобы опираться только на паспортные данные производителей, сравнение построено на воспроизводимых измерениях жёсткости при изгибе, теплостойкости, длительной деформации и поведения при ударе.
Филаменты, армированные углеволокном
Филаменты, армированные углеволокном (CF), — это композиты, в которых короткие углеродные волокна введены в обычный термопласт: PLA, PETG или PET. Волокна работают как армирующий наполнитель, изменяя механическое поведение напечатанной детали и сохраняя при этом простоту FDM-печати.
По сравнению с неармированными аналогами CF-филаменты обычно дают более жёсткие детали с лучшей стабильностью размеров и меньшим тепловым расширением. У них также характерная матовая поверхность, которая скрывает слоистость и придаёт деталям более профессиональный вид. Реальный прирост зависит от базового полимера и доли углеволокна, поэтому PET-CF, PETG-CF и PLA-CF следует рассматривать как разные семейства материалов, а не как варианты одного и того же.
В этом исследовании мы сравниваем армированные углеволокном филаменты с эталонными обычными PLA и PETG, чтобы оценить, какой практический выигрыш они дают для несущих деталей роборуки.
Отжиг
Отжиг — это контролируемая термообработка при температуре ниже температуры плавления полимера. В зависимости от материала процесс снимает внутренние напряжения и повышает степень кристалличности, что улучшает жёсткость, теплостойкость и стабильность размеров под нагрузкой. Многие производители армированных углеволокном филаментов рекомендуют отжиг для инженерных применений, чтобы получить максимальные механические свойства.
Эффект отжига сильно зависит от базового полимера. PET-CF, PETG-CF и PLA-CF реагируют по-разному, и улучшение может быть как незначительным, так и существенным — в зависимости от рецептуры материала и условий обработки. Отжиг также способен вызвать изменения размеров: усадку или коробление, что нежелательно для точных механических узлов.
Чтобы оценить практическую пользу, каждый армированный углеволокном филамент в этом исследовании испытывался как сразу после печати, так и после отжига по рекомендованной производителем процедуре. Это позволяет сопоставить эффект отжига с дополнительным временем обработки и возможными изменениями размеров.
Программа испытаний
Ни одно отдельное свойство материала не определяет, пригоден ли филамент для несущих деталей робототехники. Материал может быть очень жёстким, но деформироваться при повышенной температуре, или хорошо держать нагрев, но постепенно прогибаться под длительной нагрузкой. Поэтому материалы оценивались четырьмя взаимодополняющими испытаниями, каждое из которых отвечает за свой аспект практической работы роборуки.
- Испытание на трёхточечный изгиб — измеряет жёсткость при изгибе по прогибу образца на четырёх контролируемых уровнях нагрузки. По полученным данным вычисляется модуль упругости при изгибе, что позволяет сравнивать жёсткость материалов независимо от небольших различий в размерах образцов.
- Испытание на теплостойкость — оценивает, насколько хорошо нагруженный образец сохраняет форму при 65–70 °C. Этот диапазон выбран потому, что сервоприводы внутри шарниров робота при непрерывной работе нагреваются до похожих температур. Если несущие детали размягчаются или деформируются от тепла двигателей, точность позиционирования и механическая надёжность ухудшаются даже без чрезмерных внешних нагрузок.
- Испытание на длительную деформацию — оценивает сопротивление материала ползучести под постоянной нагрузкой. В робототехнике несущие детали часто находятся под одними и теми же усилиями длительное время, удерживая вес самой руки или полезной нагрузки.
- Маятниковые ударные испытания — сравнивают способность образцов поглощать энергию при внезапной нагрузке в конфигурациях Изода и Шарпи. Схемы отличаются условиями опирания и нагружения, поэтому раскрывают разные стороны поведения материала при разрушении.
Ограничения исследования
Цель исследования — сравнить поведение разных филаментов в контролируемых и воспроизводимых условиях печати и испытаний. Чтобы исключить влияние геометрии, все образцы печатались сплошными (100% заполнения) с одинаковыми настройками. Это делает результаты напрямую сопоставимыми между материалами, но не полностью отражает конструкцию реальных деталей роборуки.
На практике большинство несущих FDM-деталей печатают с заполнением 30–40%, несколькими периметрами и геометрией, оптимизированной под аддитивное производство. Рёбра, косынки, коробчатые сечения и увеличенная толщина стенок заметно повышают жёсткость и прочность, сохраняя малый вес и время печати. Поэтому абсолютные значения прогиба из этого исследования не следует трактовать как ожидаемое поведение готовой детали роборуки.
Ударные испытания проводились на небольшом несертифицированном маятниковом стенде, предназначенном для сравнительной оценки материалов, а не для стандартизированного измерения ударной вязкости. Результаты выражены как относительный индекс поглощённой энергии; их нельзя интерпретировать как ударную вязкость в джоулях или килоджоулях на квадратный метр и напрямую сравнивать с паспортными данными производителей или стандартными значениями по Изоду и Шарпи.
Испытанные материалы
Polymaker Fiberon PET-CF17 выбран как один из основных кандидатов для несущих деталей роборуки. PET-CF — армированный углеволокном филамент на основе PET, призванный объединить стабильность размеров и долговечность PET с повышенной жёсткостью от углеволокна. Для проекта он интересен тем, что может дать хороший баланс жёсткости, печатаемости и практической прочности, не переходя к более капризным высокотемпературным инженерным полимерам.
Bambu Lab PETG-CF — армированный углеволокном PETG-филамент. По данным Bambu Lab, материал создан для улучшения и механических характеристик, и внешнего вида поверхности по сравнению с обычным PETG, сохраняя достоинства PETG: стойкость к воде, маслам, жирам, ультрафиолету и ударам. Для нас он актуален ещё и потому, что позиционируется как материал для функциональных деталей на потребительских принтерах — с более чистой поверхностью и меньшей податливостью, чем у обычного PETG.
CC3D PETG-CF включён как ещё один углекомпозит на основе PETG. Он даёт полезное сравнение с Bambu Lab PETG-CF: оба материала построены по схожей концепции PETG-CF, но выпускаются разными производителями. Это позволяет проверить, определяется ли наблюдаемое поведение самим типом материала или рецептура конкретного производителя заметно влияет на жёсткость, качество поверхности и печать.
Creality Hyper PLA-CF включён как армированный углеволокном материал на основе PLA. PLA обычно легко печатается и даёт хорошую жёсткость, а армирование углеволокном дополнительно повышает жёсткость и уменьшает видимую слоистость. Creality заявляет для Hyper PLA-CF высокую прочность, хорошую адгезию слоёв, матовую поверхность, минимальную фактуру слоёв и скорость печати до 300 мм/с. Для деталей роборуки материал интересен сочетанием высокой жёсткости и привлекательного качества поверхности при относительно простой печати.
Creality PETG испытывался как эталонный неармированный PETG. PETG широко применяют для функциональных 3D-печатных деталей, так как он вязче и менее хрупок, чем обычный PLA, и при этом печатается на типичных настольных FDM-принтерах. В исследовании он служит базой для оценки того, насколько армирование углеволокном улучшает жёсткость и поведение при изгибе по сравнению с обычным PETG.
Soleyin Ultra PLA испытывался как эталонный обычный PLA. PLA широко распространён, легко печатается, стабилен по размерам и обычно даёт аккуратные детали. Однако он может быть более хрупким, чем материалы на основе PETG, и хуже подходит для деталей, работающих при повышенных температурах или ударных нагрузках. В этом сравнении он служит базой для понимания того, как обычный PLA выглядит на фоне армированных углеволокном вариантов.
Стенд и методика испытаний
Испытание на трёхточечный изгиб
Цель испытания — измерить упругую деформацию материала под контролируемой нагрузкой. Для несущих деталей робототехники жёсткость важна потому, что чрезмерный прогиб снижает точность позиционирования и повторяемость даже при нагрузках, далёких от разрушающих.
Для экспериментального сравнения мы использовали конструкцию стенда для трёхточечного изгиба опубликованную Стефаном Херманном (CNC Kitchen), с небольшими доработками под диаметр пальцев, доступный в нашей сборке. Размеры образцов сохранены как в исходном проекте, чтобы геометрия испытания оставалась неизменной и сопоставимой.
Стенд состоит из двух нижних опорных пальцев и одного верхнего нагружающего. Во время испытания образец опирается на оба конца, а вертикальная нагрузка прикладывается по центру пролёта. Возникающий прогиб в центре измеряется цифровым индикатором на заданных уровнях нагрузки. По этим измерениям вычисляется модуль упругости при изгибе каждого образца и сравнивается жёсткость материалов в одинаковых условиях.
Измерение модуля упругости при изгибе
Основная сравниваемая величина — модуль упругости при изгибе, описывающий жёсткость образца в упругой области.
На практике модуль упругости при изгибе показывает, насколько напечатанный образец сопротивляется изгибу под известной нагрузкой. Материал с более высоким модулем прогнётся меньше при том же усилии, с более низким — сильнее.
Для нашей роборуки это особенно важно: мы хотим минимизировать прогиб конструкции, когда рука полностью вытянута и удерживает штатную нагрузку.
В ходе испытания на трёхточечный изгиб для каждого образца измеряются четыре опорные точки нагружения:
(F₁, δ₁), (F₂, δ₂), (F₃, δ₃), (F₄, δ₄)
где F — приложенное усилие, а δ — измеренный прогиб в центре.
По этим точкам вычисляется наклон кривой «усилие — прогиб»:
k = ΔF / Δδ
где k — изгибная жёсткость образца. Её можно оценить по первой и последней измеренным точкам:
k = (F₄ − F₁) / (δ₄ − δ₁)
или методом наименьших квадратов по всем четырём измеренным точкам.
Для образца прямоугольного сечения при трёхточечном изгибе модуль упругости вычисляется как:
E = (kL³) / (4bh³)
где L — расстояние между нижними опорными пальцами, b — ширина образца, h — толщина образца в направлении изгиба.
Фактические условия испытаний
Образцы испытывались по схеме трёхточечного изгиба в одинаковых условиях печати и измерений для всех материалов. Для каждого состояния готовилось не менее двух образцов. Армированные углеволокном филаменты оценивались и без отжига (сразу после печати), и после отжига — минимум по два образца на состояние, а эталонные PLA и PETG испытывались только в состоянии после печати. Каждый образец печатался сплошным, с 4 стенками, высотой слоя 0,2 мм и соплом 0,4 мм. Номинальные размеры образца — 120 × 12 × 4 мм; фактические размеры каждого образца измерялись индивидуально и использовались при расчёте модуля. Расстояние между нижними опорными пальцами составляло 102,5 мм.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Длительность сушки филамента | 6 ч |
| Стенки | 4 |
| Заполнение | 100% |
| Диаметр сопла | 0,4 мм |
| Высота слоя | 0,2 мм |
| Номинальный размер образца | 120 × 12 × 4 мм |
| Пролёт между опорами L | 102,5 мм |
| Эталонная масса на ступень нагрузки | 0,350 кг |
| Усилие на ступень нагрузки | 3,43 Н |
Таблица 1. Условия печати и измерений при трёхточечном изгибе.
Нагрузка прикладывалась в четыре ступени воспроизводимыми эталонными грузами. Эталонная масса — около 0,35 кг, что соответствует 3,43 Н на ступень при нормальном ускорении свободного падения; четыре уровня усилия составляли примерно 3,43 Н, 6,86 Н, 10,30 Н и 13,73 Н. Прогиб в центре измерялся цифровым индикатором на каждой ступени. Образцы без отжига испытывались сразу после печати; Fiberon PET-CF17, Bambu Lab PETG-CF, Creality PLA-CF и CC3D PETG-CF дополнительно испытывались в виде отдельно отожжённых образцов.
| Филамент | Температура печати (°C) | Температура отжига (°C) | Время отжига |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 | 300 | 110 | 6 ч |
| Bambu Lab PETG-CF | 255 | 65–70 | 6 ч |
| Creality PLA-CF | 220 | 60 | 6 ч |
| CC3D PETG-CF | 255 | 65–70 | 6 ч |
Таблица 2. Режимы отжига армированных углеволокном образцов.
Дополнительные условия испытаний
Испытание на теплостойкость проводилось на образцах той же геометрии, что и при трёхточечном изгибе. Каждый образец опирался на пролёт 100 мм и нагружался подвешенным по центру грузом 110 г (примерно 1,08 Н). Образцы помещались в лабораторный шкаф при 65–70 °C на 1 час, после чего измерялся остаточный прогиб и сравнивался с исходным состоянием.
Испытание на длительную деформацию выполнялось по той же трёхточечной схеме опирания с центральной нагрузкой 1 кг (примерно 9,81 Н). Начальный прогиб измерялся сразу после приложения нагрузки, второй замер выполнялся через 30 минут для оценки деформации во времени (ползучести). Затем нагрузка снималась, образец отдыхал 2 минуты, после чего фиксировался остаточный прогиб. Такая процедура позволяет разделить упругую деформацию, ползучесть под постоянной нагрузкой и остаточную деформацию после разгрузки.
Маятниковое ударное испытание
Цель ударного испытания — сравнить, сколько энергии образцы разных филаментов поглощают при внезапной нагрузке. Оно дополняет испытание на изгиб, где деформация возникает при плавно нарастающем усилии. Материал может быть очень жёстким при обычном нагружении, но резко разрушаться при ударе, тогда как более вязкий материал сильнее изогнётся и поглотит больше энергии до разрушения. Поэтому ударные испытания важны для деталей робота, которые могут сталкиваться с препятствиями, упираться в механические ограничители, падать или получать другие кратковременные нагрузки.
Стенд собран по открытому проекту Izod Impact Test опубликованному на Printables, — он взят как эталонная конструкция. В нём маятник отпускается из воспроизводимого начального положения, а механическая шкала показывает, насколько далеко маятник продолжает движение после удара по образцу. Чем сильнее сократился остаточный ход маятника, тем больше энергии поглотил образец при деформации и разрушении. Тот же стенд настраивался и на схему Изода, и на схему Шарпи, что позволило сравнить материалы при двух разных схемах опирания и нагружения.
Маятниковое ударное испытание в работе.
В конфигурации Изода образец располагался вертикально и зажимался одним концом, верхняя часть оставалась свободной. Маятник ударял по свободной части образца, создавая динамический консольный изгиб. Такая схема концентрирует напряжения у зоны зажима и удобна для сравнения стойкости к внезапной локальной нагрузке. Положение образца, глубина зажима, точка отпускания маятника и направление удара относительно слоёв печати сохранялись одинаковыми во всех испытаниях.
В конфигурации Шарпи образец укладывался горизонтально на две опоры, и маятник ударял между ними. Возникает динамический изгиб, по общей схеме близкий к трёхточечному, но приложенный с ударной скоростью. Образец может деформироваться по всему пролёту до разрушения, поэтому результат отражает и стойкость к разрушению, и способность материала поглощать энергию за счёт изгиба. Результаты по Изоду и по Шарпи рассматривались отдельно, так как схемы создают разные распределения напряжений и не являются взаимозаменяемыми.
Шкала маятника использовалась как относительная мера, а не как калиброванное измерение энергии. Относительный индекс поглощённой энергии вычислялся как 100 минус показание маятника после удара, поэтому большее значение означает большее поглощение энергии в рамках этого стенда. Результаты следует понимать как сравнение образцов, испытанных на одном стенде в одинаковых условиях, а не как стандартизированные значения ударной вязкости в джоулях или килоджоулях на квадратный метр.
Для ударных образцов сохранены те же типы филаментов и условия печати, что и в остальных экспериментах. Обычные PLA и PETG испытывались только в состоянии после печати, а каждый армированный углеволокном филамент — и после печати, и после отжига. Отожжённые образцы готовились по температурам и длительностям, указанным ранее в таблице 2.
Результаты по жёсткости при трёхточечном изгибе
Среди образцов сразу после печати наибольшую жёсткость показали Creality PLA-CF и Fiberon PET-CF17 — расчётный модуль упругости при изгибе 2898 МПа и 2891 МПа соответственно. Оба материала дали наименьший прогиб под нагрузкой, оказавшись лучшими в состоянии после печати. CC3D PETG-CF занял третье место с 2319 МПа, опередив и обычный PETG, и обычный PLA.
Эталонные материалы показывают, что армирование углеволокном само по себе не гарантирует улучшения. Creality PETG (2029 МПа) и Soleyin PLA (1862 МПа) оказались заметно жёстче, чем Bambu Lab PETG-CF (1595 МПа), хотя вовсе не содержат углеволокна. Это подчёркивает значение базового полимера и рецептуры в целом, а не только доли углеволокна.
| # | Филамент | Модуль упругости E (МПа) | Макс. прогиб (мм) |
|---|---|---|---|
| 1 | Creality PLA-CF без отжига | 2898.32 | 1.58 |
| 2 | Fiberon PET-CF17 без отжига | 2891.47 | 1.50 |
| 3 | Soleyin PLA | 1862.16 | 2.40 |
| 4 | Bambu Lab PETG-CF без отжига | 1594.96 | 2.80 |
| 5 | Creality PETG | 2029.01 | 2.40 |
| 6 | CC3D PETG-CF без отжига | 2319.00 | 2.00 |
| 7 | Fiberon PET-CF17 после отжига | 3480.37 | 1.20 |
| 8 | Bambu Lab PETG-CF после отжига | 1831.19 | 2.50 |
| 9 | Creality PLA-CF после отжига | 2948.27 | 1.50 |
| 10 | CC3D PETG-CF после отжига | 2495.82 | 1.90 |
Таблица 3. Жёсткость при трёхточечном изгибе и максимальный прогиб.
Кривые «усилие — прогиб» наглядно показывают те же тенденции. Fiberon PET-CF17 (после отжига) стабильно давал наименьший прогиб во всём диапазоне нагрузок, за ним следует Creality PLA-CF. Bambu Lab PETG-CF оставался самым податливым материалом и до, и после отжига, остальные материалы заняли промежуточные позиции.
Влияние отжига на жёсткость при изгибе
Отжиг повысил жёсткость при изгибе у всех испытанных армированных углеволокном филаментов, однако величина прироста сильно зависела от материала. Как видно на графиках, отклик варьировался от практически незаметного до существенного роста жёсткости.
Больше всех от отжига выиграл Fiberon PET-CF17: модуль упругости вырос с 2891 МПа до 3480 МПа, то есть на 20%. Из состояния практического паритета с Creality PLA-CF сразу после печати он стал самым жёстким материалом во всём сравнении.
Bambu Lab PETG-CF также заметно улучшился — рост на 15%, с 1595 МПа до 1831 МПа. Хотя он остался наименее жёстким из испытанных углекомпозитов, прирост показывает, что отжиг способен ощутимо повысить жёсткость материалов PETG-CF.
CC3D PETG-CF отреагировал умереннее: прирост модуля 8% (с 2319 МПа до 2496 МПа).
Creality PLA-CF изменился лишь на 2% (с 2898 МПа до 2948 МПа), то есть рекомендованная процедура отжига почти не добавляет жёсткости этому материалу.
Результаты показывают, что пользу отжига нельзя обобщать на все армированные углеволокном филаменты. Жёстче стали все материалы, но прирост варьировался от незначительного до существенного в зависимости от базового полимера и рецептуры. Там, где главная задача — максимальная жёсткость, наибольшую практическую выгоду от отжига в наших условиях получил Fiberon PET-CF17.
Теплостойкость
При непрерывной работе сервоприводы нагреваются до 65–70 °C, особенно под постоянной нагрузкой или внутри закрытых шарниров робота. Поэтому несущие детали рядом с двигателями должны сохранять форму при повышенной температуре, иначе теряется точность позиционирования и возникают механические заклинивания. Это испытание оценивает практическую способность каждого материала держать геометрию под постоянной нагрузкой при температурах, характерных для реальной работы робота.
Образцы испытывались при 65–70 °C в течение 1 часа в той же номинальной геометрии, что и при трёхточечном изгибе. Каждый образец опирался на пролёт 100 мм и нагружался центральным грузом 110 г (примерно 1,08 Н). Измеренный после испытания прогиб в центре служил показателем теплостойкости под нагрузкой.
| Филамент | Без отжига (мм) | После отжига (мм) | Улучшение |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 | 3.4 | 0.3 | 11.3× |
| Bambu Lab PETG-CF | 5.9 | 2.5 | 2.4× |
| CC3D PETG-CF | 6.0 | 2.3 | 2.6× |
Таблица 4. Тепловой прогиб при 65–70 °C после 1 часа под нагрузкой 1,08 Н.
Creality PLA-CF, Soleyin PLA и ненаполненный Creality PETG деформировались в этих условиях настолько сильно, что сопоставимых измерений получить не удалось.
Результаты показывают, что на теплостойкость отжиг влияет гораздо сильнее, чем на жёсткость при комнатной температуре. Наибольшее улучшение показал Fiberon PET-CF17: прогиб уменьшился с 3,4 мм до 0,3 мм — сохранение формы улучшилось в 11 раз. Оба материала PETG-CF также существенно выиграли от отжига, уменьшив прогиб более чем вдвое, хотя и остались заметно менее стабильными, чем отожжённый Fiberon PET-CF17.
Остальные материалы не смогли сохранить форму в условиях испытания. Это не значит, что они непригодны в принципе, но их не стоит выбирать для несущих деталей рядом с непрерывно работающими сервоприводами, если рабочую температуру нельзя удержать существенно ниже испытанного диапазона.
Длительная деформация
Детали роборуки часто находятся под постоянной нагрузкой, удерживая вес самой руки или полезной нагрузки. Даже достаточно жёсткий материал может постепенно деформироваться со временем и не восстановиться полностью после снятия нагрузки. Это испытание оценивает сопротивление материала деформации во времени (ползучести) и его способность вернуться к исходной форме после длительного нагружения.
Каждый образец нагружался центральным грузом 1 кг на 30 минут по той же трёхточечной схеме опирания, что описана ранее. Начальный прогиб фиксировался сразу после приложения нагрузки, второй замер выполнялся через 30 минут для оценки ползучести. После снятия нагрузки образец отдыхал 2 минуты, затем измерялся остаточный прогиб.
| Филамент | Начальный прогиб (мм) | Через 30 мин (мм) | Остаточный прогиб (мм) |
|---|---|---|---|
| Fiberon PET-CF17 норм. | 1.08 | 1.18 | 0.10 |
| Fiberon PET-CF17 отожж. | 0.82 | 0.92 | 0.02 |
| Bambu Lab PETG-CF норм. | 1.88 | 2.12 | 0.20 |
| Bambu Lab PETG-CF отожж. | 1.80 | 2.00 | 0.15 |
| CC3D PETG-CF норм. | 1.60 | 1.64 | 0.14 |
| CC3D PETG-CF отожж. | 1.57 | 1.63 | 0.20 |
| Creality PLA-CF норм. | 1.15 | 1.37 | 0.29 |
| Creality PLA-CF отожж. | 1.00 | 1.13 | 0.40 |
| Soleyin PLA норм. | 1.60 | 2.05 | 0.30 |
| Creality PETG норм. | 1.70 | 1.83 | 0.10 |
Таблица 5. Длительная деформация под нагрузкой 1 кг и остаточный прогиб после 2 минут отдыха.
Из всех испытанных материалов лучшую долговременную стабильность размеров показал Fiberon PET-CF17. Отжиг уменьшил его начальный прогиб с 1,08 мм до 0,82 мм, а ползучесть за 30 минут под нагрузкой в обоих состояниях осталась малой (0,10 мм). Важнее другое: остаточный прогиб снизился с 0,10 мм до всего 0,02 мм, то есть после разгрузки форма восстанавливается практически полностью.
Bambu Lab PETG-CF тоже выиграл от отжига: остаточный прогиб уменьшился с 0,20 мм до 0,15 мм. Напротив, CC3D PETG-CF в этом испытании выигрыша почти не дал — остаточный прогиб даже немного вырос, с 0,14 мм до 0,20 мм после отжига. Наибольшую остаточную деформацию среди углекомпозитов показал Creality PLA-CF: рост с 0,29 мм до 0,40 мм после отжига.
Эти результаты подчёркивают важное различие между жёсткостью и долговременной стабильностью размеров. Хотя отжиг повысил модуль упругости у всех испытанных углеволоконных филаментов, восстановление формы после длительной нагрузки он улучшил не у всех. Для деталей роборуки, которым предстоит нести нагрузку долгое время, единственным материалом с явным улучшением сразу по жёсткости, теплостойкости и долговременной стабильности оказался Fiberon PET-CF17.
Результаты ударных испытаний
Маятниковые ударные испытания использовались, чтобы сравнить реакцию материалов на внезапную нагрузку в двух схемах. В конфигурации Изода образец нагружался как вертикально зажатая консоль, в конфигурации Шарпи — опирался горизонтально на две опоры и получал удар между ними. Поскольку схемы создают разные распределения напряжений и допускают разную степень деформации образца, результаты приводятся отдельно.
Записанные значения выражены как относительный индекс поглощённой энергии, рассчитанный по шкале маятника. Большее значение означает, что при ударе у маятника отобрано больше энергии. Эти величины предназначены только для сравнения образцов, испытанных на одном стенде, и не должны трактоваться как стандартизированные показатели ударной вязкости.
| Филамент | Состояние | Izod | Charpy |
|---|---|---|---|
| Creality PLA-CF | без отжига | 20 | 12 |
| Fiberon PET-CF17 | без отжига | 15 | 5 |
| Soleyin PLA | без отжига | 17 | 15 |
| Bambu Lab PETG-CF | без отжига | 29 | 65 |
| Creality PETG | без отжига | 24 | 60 |
| CC3D PETG-CF | без отжига | 20 | 8 |
| Fiberon PET-CF17 | после отжига | 8 | 10 |
| Bambu Lab PETG-CF | после отжига | 25 | 22 |
| Creality PLA-CF | после отжига | 18 | 12 |
| CC3D PETG-CF | после отжига | 21 | 13 |
Таблица 6. Относительный индекс поглощённой энергии по Изоду и Шарпи. Больше значение — больше поглощение энергии.
Самый явный результат — существенно большее поглощение энергии по Шарпи у Bambu Lab PETG-CF и обычного Creality PETG без отжига: относительные индексы 65 и 60. Все остальные образцы без отжига в той же схеме остались на уровне 15 и ниже. Результаты по Изоду оказались более плотно сгруппированными: наибольшее значение снова у Bambu Lab PETG-CF, за ним — обычный PETG.
Отжиг вызвал несколько существенных изменений, прежде всего снижение результата по Шарпи у Bambu Lab PETG-CF с 65 до 22 и снижение результата по Изоду у Fiberon PET-CF17 с 15 до 8. При этом небольшие различия около 5% между образцами без отжига и после отжига лежат в пределах возможностей этого стенда и не должны трактоваться как подтверждённое улучшение или ухудшение.
Обсуждение результатов
Жёсткость против ударной стойкости
Результаты показывают, что жёсткость и ударная стойкость — самостоятельные свойства материала, и подменять одно другим нельзя. Испытание на трёхточечный изгиб измеряет, насколько сильно образец сопротивляется упругой деформации при плавно нарастающей нагрузке, тогда как маятниковое испытание оценивает, сколько энергии он поглощает при внезапном ударе. Поэтому материал может быть очень жёстким при обычной работе и всё же резко разрушаться от удара.
Особенно наглядно это видно при сравнении Fiberon PET-CF17 с материалами на основе PETG. Fiberon был одним из самых жёстких образцов и стал самым жёстким после отжига, но его ударные результаты оказались относительно низкими. Напротив, Bambu Lab PETG-CF оказался наименее жёстким CF-материалом в испытании на изгиб, но показал наибольшие ударные индексы среди образцов без отжига. Обычный Creality PETG следовал той же общей закономерности, сочетая умеренную жёсткость с очень высоким поглощением энергии по Шарпи.
Отсюда следует, что материал нужно выбирать под ожидаемые условия нагружения детали. Жёстким звеньям, кронштейнам сервоприводов и конструкциям, которые должны держать точность позиционирования, важны прежде всего высокая жёсткость и малая ползучесть. Кожухам, защитным элементам, деталям захвата и всему, что подвержено столкновениям, больше подойдёт вязкий материал на основе PETG, способный поглощать энергию удара. Когда важно и то и другое, эффективнее работать геометрией детали, толщиной стенок, локальным усилением и сменными защитными элементами, чем выбирать материал по одному результату испытаний.
Армированные углеволокном и обычные филаменты
Результаты подтверждают, что армирование углеволокном способно существенно улучшить характеристики напечатанных несущих деталей, но улучшение не гарантировано самим фактом добавления волокна. Базовый полимер и рецептура в целом влияют, судя по всему, сильнее, чем наличие углеволокна как таковое.
Среди образцов сразу после печати Fiberon PET-CF17 и Creality PLA-CF оказались существенно жёстче эталонных PLA и PETG. CC3D PETG-CF также опередил обычный PETG в испытании на трёхточечный изгиб. А вот Bambu Lab PETG-CF оказался менее жёстким, чем оба эталона, — то есть армированный углеволокном филамент не становится жёстче ненаполненного полимера автоматически.
Ударные результаты выявляют ещё одно важное различие. Обычный Creality PETG показал один из самых высоких индексов поглощённой энергии по Шарпи в исследовании — лишь немного ниже Bambu Lab PETG-CF и значительно выше остальных углекомпозитов. Это говорит о том, что армирование углеволокном не обязательно улучшает стойкость к удару и может снижать способность материала деформироваться и поглощать энергию до разрушения. Эффект сильно зависит от рецептуры: Bambu Lab PETG-CF показал наибольшее поглощение энергии среди образцов без отжига, тогда как CC3D PETG-CF и Fiberon PET-CF17 дали значительно более низкие результаты по Шарпи.
Армирование углеволокном также заметно улучшило качество поверхности. Все испытанные CF-материалы дали ровную матовую поверхность с менее заметными линиями слоёв, поэтому детали почти не требовали косметической постобработки. В целом CF-филаменты стоит рассматривать как самостоятельные инженерные материалы с собственным сочетанием жёсткости, теплостойкости, сопротивления ползучести и поведения при ударе, а не как простое «улучшение» их неармированных аналогов.
Отжиг на практике
Отжиг улучшил жёсткость и теплостойкость всех испытанных армированных углеволокном материалов, но величина и общая полезность изменения сильно зависели от филамента. Наибольшую выгоду получил Fiberon PET-CF17, улучшивший и жёсткость при изгибе, и теплостойкость, и долговременную стабильность размеров. Bambu Lab PETG-CF и CC3D PETG-CF тоже стали жёстче и лучше держали форму при нагреве, хотя их улучшения оказались менее всесторонними.
Испытания на длительную деформацию и удар показывают, что отжиг нельзя считать универсальным улучшением. Возросшая жёсткость не всегда означала лучшее восстановление после длительной нагрузки, а ударная стойкость могла как вырасти, так и снизиться — в зависимости от материала и схемы испытания. Самый заметный отрицательный результат — у Bambu Lab PETG-CF, чей индекс поглощённой энергии по Шарпи упал после отжига с 65 до 22. У Fiberon PET-CF17 также существенно снизился результат по Изоду.
Поэтому отжиг стоит применять исходя из главного требования к готовой детали. Он очень полезен, когда в приоритете теплостойкость, жёсткость и сопротивление постепенной деформации, — особенно для Fiberon PET-CF17. Но для деталей, которым предстоит гасить столкновения и внезапные нагрузки, отжиг может снизить полезную вязкость, и его следует оценивать осторожно. Эффективность зависит от базового полимера, содержания волокна, рецептуры производителя и от того, какой баланс свойств нужен конкретной детали робота.
Выводы
В этом исследовании несколько серийно доступных армированных углеволокном филаментов сравнивались по четырём взаимодополняющим испытаниям: жёсткость при трёхточечном изгибе, теплостойкость под нагрузкой, длительная деформация и маятниковый удар по схемам Изода и Шарпи. Результаты показывают, что ни одного отдельного свойства недостаточно, чтобы выбрать лучший филамент для любой детали роборуки. Жёсткость, теплостойкость, сопротивление ползучести и стойкость к удару нужно рассматривать по отдельности.
Для жёстких несущих деталей рядом с сервоприводами или под длительной нагрузкой лучший общий результат дал Fiberon PET-CF17. Он объединил очень высокую жёсткость с отличной теплостойкостью и наименьшей остаточной деформацией после длительного нагружения. Отжиг дал существенную дополнительную выгоду, сделав его самым подходящим материалом в этом исследовании для звеньев, кронштейнов сервоприводов и других ответственных по точности деталей. Однако сравнительно низкие ударные результаты делают его менее удачным там, где главное требование — стойкость к столкновениям.
CC3D PETG-CF — практичный вариант второго выбора, когда ценятся умеренная жёсткость, улучшенная после отжига теплостойкость, привычная печатаемость PETG и хорошее качество поверхности. Он уступил Fiberon по жёсткости, теплостойкости и долговременной стабильности размеров, а его ударные показатели остались ограниченными, но как компромисс для обычных несущих деталей он вполне полезен.
Для деталей, подверженных внезапному изгибу, столкновениям или случайному удару, наилучшие результаты по Шарпи без отжига показали Bambu Lab PETG-CF и обычный Creality PETG. Более низкая жёсткость и худшая теплостойкость ограничивают их применение в точных несущих деталях рядом с нагретыми двигателями, но они лучше подходят для кожухов, защитных элементов, деталей захвата, бамперов и всего, что должно поглощать энергию, а не оставаться предельно жёстким.
Creality PLA-CF дал отличную жёсткость сразу после печати, но показал слабую стойкость к повышенной температуре и лишь умеренное поглощение энергии удара. Поэтому он лучше всего подходит для пассивных или слабонагруженных конструкций, работающих существенно ниже температуры размягчения PLA, где высокая жёсткость и простота печати важнее тепловых и ударных характеристик.
Отжиг не стоит считать универсальным улучшением. Для ряда материалов, особенно для Fiberon PET-CF17, он значительно повысил жёсткость и теплостойкость, но не всегда улучшал восстановление формы после длительной нагрузки и мог снижать поглощение энергии удара. Поэтому термообработку следует выбирать под главное требование к конечной детали, а не применять автоматически.
В целом лучший материал определяется ожидаемым сценарием отказа. Fiberon PET-CF17 предпочтителен для жёстких и термически нагруженных конструкций, CC3D PETG-CF — практичный вариант второго выбора, а Bambu Lab PETG-CF или обычный PETG удобнее там, где стойкость к удару важнее максимальной жёсткости. Материал стоит подбирать отдельно для каждой детали — по рабочей температуре, постоянной нагрузке, требуемой точности позиционирования и вероятности внезапных ударов.
Войдите, чтобы оставить комментарий.