Měření hustoty 3D výtisků

Univerzita Pardubice, f. chemicko-technologická
Studenti si navrhnou geometricky jednoduché tvary s různým množstvím výplně a měří hustotu těchto výtisků různými metodami.
Easy
Short-term
15+ yrs
Verified by Prusa Team
2
9
0
506
updated December 15, 2021

Summary

PDF
Studenti si navrhnou geometricky jednoduché tvary s různým množstvím výplně a měří hustotu těchto výtisků různými metodami.

The focus of the target group

Projekt je určený primárně pro studenty VŠ a dále pro studenty SŠ (SOČ, AMAVET). Úloha je koncipována jako dvě laboratorní práce fyzikálních praktik.

Necessary knowledge and skills

Projekt je určen především pro studenty bez předchozích znalostí 3D tisku jako využití fyziky v praxi (aplikovaná fyzika) a seznámení se s netradiční metodou měření hustoty materiálu (klasická fyzika). Od studentů bude vyžadována domácí příprava týkající se teoretických základů 3D tisku a měření hustoty a následné odevzdání protokolu obsahujícím parametry 3D výtisků a naměřené a vypočtené hodnoty.

Project objectives

Studenti si vyzkouší práci v 3D grafickém editoru, seznámí se s principy 3D tisku a naučí se měřit hustotu výtisků. Hustotu měří klasicky, měřením objemu a hmotnosti, i pomocí siloměru, měřením na vzduchu a v různých kapalinách (Archimedův zákon). S využitím vakua pak podobným způsobem určí hustotu materiálu použitého filamentu.

Required equipment

3D tiskárna, PC s internetovým připojením (PrusaSlicer, Tinkercad), digitální váhy (přesnost 0,01 g), digitální posuvné měřítko (přesnost 0,01 mm), digitální siloměr (přesnost mN), sada kapalin/rozpouštědel (např. destilovaná voda, hexan, toluen, aceton), kádinka, laboratorní stojan, vázací drát (tenký), závaží, vakuová komora, vývěva.

Project time schedule

Pro celkovou realizaci projektu je třeba si vyhradit několik hodin až dní, kdy je důležité ověřit funkčnost a dostatečnou citlivost použitých přístrojů včetně vytištění vzorových modelů a provedení kontrolních měření. Domácí příprava studentů před cvičením by neměla přesáhnout 1-2 hodiny. Samotné laboratorní cvičení je rozděleno na dvě části s časovou dotací 2x2 hodiny, kdy v první dvouhodinovce se zabývají modelováním a tiskem, ve druhé dvouhodinovce měří hustoty. Čas tisku je přitom volen tak, aby nepřesáhl 2 hodiny (např. tisk jedné krychle o rozměrech 2x2x2 cm s 50% výplní typu gyroid a 0,15 mm výšce vrstvy zabere cca 50 minut).

Workflow

Nejprve studenti modelují 3D objekty, a to tak, aby je bylo možné měřit s využitím Archimedova zákona i klasicky (krychle, kvádry, koule, popř. jejich kombinace). Takovýto objekt následně vytisknou zvolením výšky vrstvy, počtu perimetrů, vrchních/spodních vrstev a druhem výplně, přičemž volí množství/hustotu výplně v rozmezí 0-100 % (např. 4 výtisky jednoho modelu o výplni 0, 30, 60 a 90 %). Následně změří hmotnost a rozměry vytištěných modelů (klasická metoda měření hustoty). Výtisky poté ovážou drátem tak, aby je bylo možné pověsit na siloměr a bylo je možné zatížit závažím (při hustotě menší, než je hustota kapaliny). Další možností je vytisknout objekt přímo s očkem na uchycení drátu. Siloměrem následně změří sílu působící na výtisk v několika prostředích: na vzduchu, v destilované vodě, v další zvolené kapalině/rozpouštědle, a zatížený závažím. Studenti přitom dostanou na výběr několik kapalin/rozpouštědel s různou hustotou, ve kterých mohou měřit. Na základě domácí přípravy zvolí nejvhodnější (nízká hustota, bez reakce s materiálem použitého filamentu). Výtisky v kádince s destilovanou vodou nakonec umístí do komory, kterou evakuují. Změřená hustota pak odpovídá hustotě materiálu/filamentu. Zpracované výsledky zahrnující srovnaní experimentálních a teoretických hodnot studenti odevzdávají formou protokolu, který vyučující komentuje a schvaluje.

Výpočet hustoty výtisku provádíme klasicky (1) a s pomocí siloměru (2):

kde ρk je hustota kapaliny/rozpouštědla, m je hmotnost tělesa, V je objem tělesa, g je tíhové zrychlení, F1 je síla působící na těleso na vzduchu a F2 je síla působící na těleso v kapalině.

Authors

Ing. Patrik Čermák, Ph.D., Mgr. Jana Kašparová, Ph.D.

Model origin

The author hasn't provided the model origin yet.

License