În calitate de furnizor de piese de modele de imprimare 3D, mi-am petrecut ultimii cinci ani depanând proiecte pentru clienți, de la startup-uri aerospațiale la echipe de robotică, și o întrebare apare mai mult decât oricare alta: „Cum pot imprima piese rigide, fiabile, care nu se îndoaie, nu se sparg sau nu se defectează sub sarcină?” Nu este o întrebare captivantă – rigiditatea pieselor imprimate 3D depinde mult mai puțin de alegerea unui material „rigid” și mai mult de potrivirea științei materialelor, setărilor imprimantei și designului la sarcinile specifice cu care se va confrunta piesa ta. Am văzut proiecte grozave care au deraiat deoarece un designer a căutat un material rigid, cum ar fi ABS sau PETG, doar pentru a modifica setările greșite sau pentru a tăia colțuri la orientare, rezultând o piesă care s-a îndoit sub o fracțiune din sarcina așteptată. Astăzi, dezvăluiesc pașii practici, susținuți de știință, pe care îi folosim aici pentru a furniza piese imprimate 3D de înaltă rigiditate, care rezistă utilizării în lumea reală - nu este nevoie de presupuneri.
Mai întâi, să vorbim despre fundație: alegerea materialului potrivit de rigiditate ridicată. Nu toate materialele rigide sunt create la fel, iar alegerea unuia greșit este cea mai mare greșeală pe care o vedem clienții o fac. Pentru noiPiese model de imprimare 3Dclienți, începem întotdeauna cu materialul adecvat pentru aplicație. Pentru piesele care au nevoie de rigiditate extremă - cum ar fi suporturile de braț robotizate, prototipurile aerospațiale structurale sau carcasele personalizate pentru echipamente industriale - termoplastele cu modul de întindere ridicat nu sunt negociabile. ABS este o soluție clasică aici, cu un modul de tracțiune de aproximativ 2,2 GPa, ceea ce înseamnă că rezistă la întindere și îndoire mult mai mult decât materialele mai flexibile precum TPU. Noi folosim regulat noastreServiciu de imprimare 3D Prototip rapid din plastic ABSlinie pentru aceste piese; Procesul SLA (Stereolithography) pe care îl folosim întărește rășina ABS într-o piesă care are o aliniere moleculară consistentă, eliminând „flexiunea liniei de strat” comună în imprimările FDM de calitate scăzută. Pentru piesele medicale care au nevoie atât de rigiditate, cât și de biocompatibilitate (cum ar fi ghidajele chirurgicale sau dispozitivele de fixare pentru implant), apelăm la rășini SLA specializate cu un modul de tracțiune de 3,5 GPa șiImprimare 3D SLA pentru piese medicaleserviciul asigură că fiecare piesă îndeplinește standardele de biocompatibilitate ISO fără a sacrifica rigiditatea. Chiar și pentru mai multe proiecte de nișă, precum noastreCarcasă de mână robotizată personalizată pentru roboți umanoizi și abililinie, am ales o rășină asemănătoare ABS de înaltă rigiditate, care rezistă cuplului și impactului repetat al articulațiilor robotizate. O notă rapidă aici: evitați orice rășină de „rigiditate ridicată” comercializată numai pentru piese decorative mici - cele mai multe dintre acestea folosesc umplutură care le face rigide, dar fragile, predispuse la spargere chiar și la sarcini minore. Testăm întotdeauna mostre de material pentru modulul de tracțiune și de încovoiere înainte de a procesa orice comandă, astfel încât să nu pierdeți timpul cu piesele care par rigide, dar care nu sunt utilizate.
În continuare, proiectarea pentru rigiditate nu este doar despre material, ci despre modul în care modelezi piesa. Chiar și cel mai rigid material din lume se va îndoi dacă îl proiectați ca pe o scândură subțire și plată. Să folosim un exemplu simplu: un suport pentru a monta un senzor de 5 kg pe un braț robot. Dacă proiectați acel suport ca o bară plată cu grosimea de 2 mm, chiar și în ABS, se va înclina sub greutatea senzorului. Dar dacă adăugați nervuri curbate înalte de 0,5 mm de-a lungul marginii portante, aceeași grosime de 2 mm va avea de trei ori rigiditatea la îndoire. Acesta este un concept fundamental în ingineria structurală, care se traduce direct în piesele tipărite 3D și este ceva pe care îl parcurgem fiecarePiese model de imprimare 3Dclientului în timpul procesului de revizuire a designului. Regula cheie aici: urmați „calea de încărcare” cu caracteristici geometrice. Încărcăturile curg printr-o piesă în linii drepte (sau linii curbe controlate), astfel încât orice caracteristică care traversează acea cale - cum ar fi nervuri, gușuri sau margini întărite - adaugă rigiditate fără a adăuga prea multă greutate. De asemenea, evităm surplosnirile care necesită structuri de susținere acolo unde este posibil, deoarece materialul de susținere creează legături slabe, inconsistente la punctul de contact, care se transformă ulterior într-un punct de flexibilitate. Pentru piesele robotizate, integrăm adesea structuri celulare goale (zăbrele) în interiorul pereților exteriori groși; acest lucru reduce utilizarea materialului, menține piesa ușoară, iar zăbrelele distribuie sarcina uniform, sporind rigiditatea cu 40% în comparație cu piesele solide de aceeași dimensiune exterioară. O greșeală comună de design pe care o fac clienții este adăugarea de prea multe caracteristici sau găuri mici; fiecare gaură creează o concentrare a tensiunii, care slăbește piesa chiar dacă forma generală este rigidă. Marcam întotdeauna aceste puncte fierbinți de stres în recenziile noastre de design și sugerăm netezirea sau adăugarea unei raze mici în jurul găurilor pentru a reduce stresul.
Acum, să intrăm în setările de imprimare - aici este locul în care știința se întâlnește cu mașina și unde imprimarea 3D devine dificilă. Am văzut două modele de piese identice tipărite pe aceeași imprimantă cu setări diferite, unul suficient de rigid pentru a suporta o încărcare de 10 kg, iar celălalt îndoit sub 2 kg. Cel mai mare factor aici este alinierea stratului. Pentru piesele cu rigiditate ridicată, nu doriți niciodată ca forțele de sarcină să traverseze mai multe straturi la un unghi ascuțit. Dacă o sarcină de tracțiune trage de-a lungul unei piese, doriți straturi aliniate paralel cu acea direcție a sarcinii, nu perpendiculare. De exemplu, dacă imprimați o tijă dreptunghiulară care va fi trasă de-a lungul axei sale lungi, imprimați-o astfel încât axa lungă a tijei să fie orizontală, astfel încât fiecare strat să se afle de-a lungul acelei direcții de încărcare. Calculăm orientarea optimă pentru fiecareServiciu de imprimare 3D Prototip rapid din plastic ABSproiect ca standard; Echipa noastră de proiectare rulează o simulare pentru a le arăta clienților modul în care orientarea va afecta rigiditatea, astfel încât aceștia să nu fie nevoiți să ghicească. Apoi, înălțimea stratului: straturile mai subțiri oferă o mai bună aderență între straturi, ceea ce înseamnă mai puțină flexibilitate între straturi. Pentru majoritatea pieselor cu rigiditate ridicată, folosim straturi de 0,1 mm sau 0,15 mm, în loc de 0,2 mm obișnuiți pentru viteză. Compensația este un timp de imprimare puțin mai lung, dar rezistența de legătură interstrat crește cu 25-30%, ceea ce reprezintă o diferență uriașă de rigiditate. Umplerea este o altă setare critică - procentul de umplere și modelul afectează direct cât de rigid este miezul piesei. Pentru piesele portante de mare rigiditate, folosim o grilă sau o umplutură rectilinie la o densitate de 30-50%, nu umplutura de 10% folosită adesea pentru prototipuri. Umplutura cu grilă este mai rigidă decât hexagonală (fagure), deoarece sarcina este distribuită uniform pe linii drepte și se leagă mai bine de pereții exteriori. De asemenea, evităm umplerile rare pentru piesele portante; chiar și o umplutură solidă la 20% este mai rigidă decât o umplutură hexagonală la 10%. Pentru piesele SLA, care folosesc rășină lichidă în loc de filament, setările cheie sunt timpul de expunere a stratului și răcirea părții. Straturile subexpuse au legături slabe, așa că calibrăm timpul de expunere pentru fiecare tip de rășină - de exemplu, rășina noastră SLA de calitate medicală pentruImprimare 3D SLA pentru piese medicalefolosește o expunere de 2 secunde pe strat, care este cu 0,5 secunde mai lungă decât standard, pentru a asigura întărire completă și legături puternice între straturi. În cele din urmă, pentru piesele FDM (deși majoritatea pieselor noastre cu rigiditate ridicată sunt SLA sau SLS), folosim o temperatură a duzei de 245-250C pentru ABS, care topește filamentul suficient pentru a crea o aderență puternică între straturi și o temperatură a stratului de 110C pentru a preveni deformarea, care poate crea solicitări inegale care reduc rigiditatea.
Post-procesarea este pasul final pe care mulți oameni îl trec cu vederea și poate face sau sparge o piesă rigidă. Chiar și cu materialul, designul și setările perfecte, o piesă post-procesată prost va avea puncte slabe ascunse. Pentru piesele ABS, facem întotdeauna o baie de vapori de acetonă. Acest lucru netezește stratul exterior și topește ușor suprafața fiecărui strat, creând o structură monolitică (din o singură piesă) în loc de straturi separate, ceea ce crește rigiditatea la încovoiere cu până la 40%. De asemenea, găurim sau batem fire pentru elementele de fixare după imprimare, nu înainte, deoarece atingerea firelor preimprimate poate crăpa structuri slab stratificate. Pentru piese medicale dinImprimare 3D SLA pentru piese medicale, post-procesarea include o întărire UV de 72 de ore pentru a asigura întărirea completă a rășinii, care mărește modulul de întindere cu încă 15% și elimină orice tensiune reziduală în piesă. Pentru piesele care vor fi expuse la schimbări de temperatură (cum ar fi prototipurile aerospațiale), facem o coacere de reducere a stresului: 2 ore la 80C pentru ABS, care elimină orice tensiuni interne din procesul de imprimare care ar determina piesa să se deformeze sau să se îndoaie în timp. Odată am avut un client să comandă un suport pentru o sarcină utilă de satelit, care a eșuat la testare, deoarece am omis coacerea de reducere a stresului - se dovedește că stresul rezidual de la imprimare l-a făcut să se îndoaie atunci când a fost expus la vid și la schimbările de temperatură din spațiu. Această greșeală ne-a învățat să facem din postprocesare un pas nenegociabil pentru fiecare piesă portantă pe care o trimitem.
Să legăm toate acestea cu un exemplu real de la noiPiese model de imprimare 3Dlucru: carcasa de mână robotizată personalizată pe care o producem pentru roboții umanoizi, unul dintre cele mai populare produse de nișă. Clientul avea nevoie de o carcasă care să țină 8 motoare mici și să reziste la impactul repetat de la mișcarea de balansare a robotului, fără flexiune. Am început cu rășina noastră SLA de înaltă rigiditate, asemănătoare ABS, aleasă pentru modulul de îndoire de 3,2 GPa și biocompatibilitate (deși nu a fost necesar aici, a adăugat un tampon de siguranță). În continuare, am proiectat carcasa cu pereți exteriori de 1,5 mm grosime, nervuri curbate integrate de 0,5 mm de-a lungul marginilor portante unde se montează motoarele și structuri cu zăbrele goale în cavitățile interioare pentru a distribui greutatea și sarcina. Am orientat carcasa astfel încât căile de încărcare de la suporturile motorului să fie paralele cu straturile de imprimare, au folosit straturi de 0,15 mm, o umplere a grilei de 40% și a calibrat timpul de expunere în timpul imprimării SLA. În cele din urmă, am făcut o coacere de 2 ore și o cură UV. Piesa finală a cântărit 120 g, a suportat o încărcătură totală de 2,2 kg și a trecut 10.000 de cicluri de impact fără nicio flexibilitate vizibilă - exact ceea ce avea nevoie clientul. Ulterior au comandat încă 12 unități, care au fost folosite într-o demonstrație la o conferință de robotică care a devenit virală.
La sfârșitul zilei, imprimarea pieselor imprimate 3D de mare rigiditate nu înseamnă tăierea colțurilor sau folosirea celui mai scump material, ci o abordare holistică care leagă știința materialelor, intenția de proiectare, setările imprimantei și post-procesarea împreună. Ca aPiese model de imprimare 3Dfurnizor, nu vă trimitem doar o piesă; Lucrăm cu dvs. pentru a perfecționa fiecare pas, astfel încât piesa dvs. să îndeplinească cerințele sale de rigiditate, fie că este o carcasă robotizată personalizată, un ghid medical sau un prototip aerospațial. Dacă lucrați la un proiect care are nevoie de piese imprimate 3D fiabile, de înaltă rigiditate, suntem aici pentru a vă ajuta să navigați între alegerile materialelor, ajustările de design și setările de producție pentru a obține rezultatele de care aveți nevoie. Contactați-ne pentru a discuta cerințele dvs. și pentru a obține o soluție personalizată.
Referințe
- Gibbs, B. (2021). Analiza structurală a pieselor polimerice imprimate 3D. Journal of Additive Manufacturing, 45, 102018.
- ASTM International. (2018). Metodă de testare standard pentru proprietățile de întindere ale materialelor plastice (D638-18). West Conshohocken, PA: ASTM.
- Mellor, S., Hao, L. și Zhang, D. (2014). Aplicații de fabricație aditivă în industrie: o revizuire. Journal of Manufacturing Processes, 16(1), 2-12.
- ISO 10993-5:2019. Evaluarea biologică a dispozitivelor medicale – Partea 5: Teste de citotoxicitate in vitro. Geneva, Elveția: Organizația Internațională pentru Standardizare.
- Wang, Y., şi colab. (2020). Efectul orientării stratului asupra proprietăților mecanice ale pieselor ABS imprimate 3D FDM. Materiale și design, 190, 108557.
