Мороз и камень

Недавно на сайте был вопрос про пластик, который не теряет прочности и не становится хрупким при низких температурах. Меня самого тоже интересует ответ на подобный вопрос, но в отличие от zloy, температуры мне нужны существенно ниже: -265С ну или хотя бы -196С.

Как это водится, после некоторых размышлений решили, что самый лучший способ пролить свет на подобный вопрос — это поставить прямой эксперимент. На улице у нас сейчас потеплело до -20, а -60 в наших краях вообще не бывает, поэтому тесты будем проводить в искуственных лабораторных условиях. Естественно в нашем температурном диапазоне, поскольку он шире. В качестве хладогента мы выбрали жидкий азот. Материал инертный, не агресивный, только температура кипения у него очень низкая.

Для испытаний были напечатаны по четыре кубика 2х2х2 см из всех имеющихся у нас в наличии типов пластика. Это PLA - Wanhao и Volprint, а так же ABS Greg.Настройки печати делались в Slic3r. Снимки экранов ниже. Все настройки были одинаковыми, за исключением температур для ABS и PLA. PLA кубики печатались последовательно с использованием одного и тогоже Gcode.Настройки температуры печати для PLA:Настройки температуры печати для ABS:Разбивка по слоям получилась следующая: верхний слойНедавно, в посте уважаемого Imprinta_engineer по тесту различных заполнений было указано, что одним из самых прочных является 3d Honeycomb, поэтому для наших тестовых кубиков был выбран именно он.

Внутренняя структура кубиков.В результате напечатали 12 кубиков по 4 из каждого типа. На фото все они лежащие на верхней и нижней гранях (относительно печати).Вид кубиков с разных сторон до испытаний при большом увеличении. PLA - не очень хорошо закрыта верхняя грань. ABS есть пропуски в слоях. Для удобства и последующего сравнения кубики из каждого материала были пронуменованы от 1 до 4.

• Удар приходился поперек слоев, при комнатной температуре
• Удар приходился вдоль слоев, при комнатной температуре
• Удар приходился поперек слоев, при температуре кипения жидкого азота (-196С)
• Удар приходился вдоль слоев, при температуре кипения жидкого азота (-196С)
  
  

Для начала мы охладили кубики в жидком азоте. Это выглядело применто так. Все кубики выдержали это испытание. ABS достаточно громко щелкал и трещал при охлаждении, но это никак визуально не проявилось. Расслоения не было.

При хорошей поверхности, поскольку кубики полые, внутри температура может быть немного (или много) выше, чем на поверхности, это связано с плохой теплопроводностью воздуха. Поэтому мы выдерживали кубики в жидком азоте при температуре -196 С в течении трех минут. Дефекты на поверхности должны играть нам на руку, поскольку позволяют попасть жидкому азоту во внутрь кубика и быстрее его охладить. На практике оказалось, что этим фактом можно пренебречь. Кубики как с целой поверхностью так и с наличием дефектов вели себя одинаково. Времени охлаждения оказалось достаточно для полного охлаждения, как наружных слоев так и внутренних.

В качестве первого теста мы просто бросали наших испытуемых на бетонный пол. Вначале с высоты один метр, потом с высоты двух метров. Все кубики остались целыми и без повреждений. Возможно основание был малый вес, но тем не менее факт остается фактом. Охлаждение и последующее падение с высоты человеческого роста особого вреда не причинило.

Раз уж мы решили проверить прочность, вернее хрупкость при низких температурах, то мы должны были попытаться как-нибудь сломать хотя бы один кубик. Поэтому проверки хрупкости мы решили немного ударить.

В качестве камня, которым мы будем бросать в кубики мы выбрали стальную болванку весом около 9,6 кг.Подробный видео отчет об этом бескубичном эксперименте. Для удобства снимали немного ускоренной камерой - 120 кадров/сек, поэтому качество видео не совсем HD.Уже на этапе монтажа видео, благодаря замедленной съемке увидели, что падение было не всегда на верхнюю грань кубика. Иногда болванка летела немного под углом, поэтому некоторые кубики принимали удар на грань, что позволяло им выскочить из-под стальной чушки, и остаться целыми. Тем не менее такой результат мы тоже засчитываем, поскольку контакт с тяжелым падающим предметом был.

Результаты испытаний получились следующие:

PLA от Wanhao - при нормальных условиях удалось сломать кубик при ударе вдоль слоев и немного отколоть грань при ударе попрек слоев. Охлажденные кубики остались не поврежденными, но выстреливались из-под болванки (по причине описаной выше: удар был по грани, а не на плоскость).Больше всего не повезло кубику из PLA от Volprint. Удалось сломать их все. На фото хорошо видно, что охлаждение сделало кубики значительно более хрупкими. Осколки охлажденного кубика очень мелкие, по сравнению с полученными при нормальных условиях. В защиту этого пластика нужно сказать, что несмотря на большие нагрузки и повреждения, полностью раздавить в мелкую крошку ни один кубик нам не удалось. Как правило оставалась часть размером до 1/3 от первоначальной неповрежденной. Т.е. получилась защита, которая сминалась, поглощая энергию, сохраняя нижнюю часть неповрежденной.Самым крепким оказались кубики напечатаные из ABS от Greg. Сломался один кубик, опять же при ударе вдоль слоев.Для чистоты эксперимента мы охладили несколько расколотых кубиков, чтобы жидкий азот проник внутрь, и мы гарантированно охладили внутреннюю структуру. Затем мы заново бросали наш камень на такой образец. Принципиально результатов это не изменило. Коричневый и синий кубики (ABS, PLA) в мелкую крошку не рассыпались. Т.е. хрупкость показанная в основном эксперименте не изменилась.

Мы так же бросали стальную болванку с большей высоты - 1 метр на оставшиеся целыми кубики. Но кубики выскакивали. Болванка была не симметричной, поэтому при падении с большой высоты её закручивало в полёте, и она падал на укол кубика, заставляя его выскочить. Поскольку никаких принципиально новых результатов, отличающихся от вышеописанных, не получилось, то мы решили их здесь не приводить.

Крупный план некоторых осколков после испытаний. В принципе, выввод тот же. Самый хрупкий из испытаных пластиков оказался Volprint - у него получились самые мелкие осколки. При комнатной температуре крупнее, при охлаждении мельче, впочем так и должно было быть. Наблюдения и выводы

1. Все испытанные материалы всех производителей выдерживают резкое охлаждение и последующую выдержку при температуре кипения жидкого азота -196С без деформаций и разрушений.

2. Все материалы выдерживают обычные условия эксплуатации будучи охлажденными с не экстремальной нагрузкой. (падение с небольшой высоты).

3. Материалы одного типа но разных производителей могут существенно отличатся по устойчивости к внешним ударным воздействиям и хрупкости при охлаждении. (Синий и оранжевый кубики)

4. ABS показал лучший результат - он оказался как самым прочным так и наименее хрупким, по сравнению с PLA. Даже в случае разрушения получались крупные куски.

5. PLA по сравнению с ABS лучше ведет себя при резком охлаждении, не слышно никаких характерных звуков вызваных сжатием материала.

6. Для дальнейших испытаний нужно делать стенд, чтобы груз падал одинаково и была возможность сбрасывать разные грузы с разной массой.

Немного планов

Планируем провести подобную серию экспериментов с другими типами пластика, закупка сделана, ожидаем доставки. Если будет интерес со стороны читателей этого сайта, то можно будет сделать продолжение этой.

Для себя планируем провести эксперименты по экстремальному охлаждению до -265 С в вакууме. Просто тест на возможность эксплуатации печатных изделий, без ударных нагрузок.