Dacă ați ținut vreodată o piesă imprimată 3D care s-a rupt ușor când ați încercat să o înșurubați sau o componentă care s-a părut suficient de rezistentă pentru a rezista utilizării repetate, știți deja că nu toată rezistența imprimată 3D este creată la fel. În calitate de furnizor de piese de modele de imprimare 3D, am petrecut ani de zile remediind aceste diferențe exacte pentru clienți – de la mici întreprinderi robotice care au nevoie de carcase durabile până la echipe de dispozitive medicale care necesită prototipuri precise și puternice. Adevărul este că puterea unei piese imprimate 3D nu este întâmplătoare; este modelat de o combinație de opțiuni de materiale, setări ale tehnologiei de imprimare, decizii de proiectare și pași de post-procesare. Să defalcăm fiecare dintre acești factori, să împărtășim lecțiile din lumea reală pe care le-am învățat la locul de muncă și să le legăm de tipurile de piese pe care le producem în fiecare zi.
În primul rând, materialul pe care îl alegeți este factorul de bază în rezistența părții. Nu vă pot spune de câte ori a venit un client la noi dorind o carcasă robotizată personalizată pentru roboți umanoizi și dibaci [link] care trebuie să prindă obiecte grele, dar a ales o rășină ieftină pentru că s-a imprimat mai repede - doar pentru a avea carcasa să se spargă după o săptămână de testare. Rășinile sunt grozave pentru detalii fine, dar majoritatea rășinilor fotopolimerice standard sunt casante, mai ales în comparație cu materialele termoplastice utilizate în imprimarea pe strat de pulbere. Pentru piesele portante, întotdeauna îndrept clienții către date de rezistență specifice materialului, nu doar finisarea suprafeței. De exemplu, dacă imprimați o piesă care are nevoie de rezistență ridicată la tracțiune sau rezistență la impact, veți obține rezultate diferite de la PLA (un termoplastic comun) față de nailon, față de metal. Nailonul, atunci când este procesat prin sinterizarea selectivă cu laser (SLS), este flexibil și rezistent la impact, făcându-l ideal pentru carcasele robotizate, în timp ce piesele modelului din oțel inoxidabil de tipărire 3D SLM [link] oferă o rezistență extremă la tracțiune pentru componentele mașinilor industriale. Chiar și printre rășini, rășinile de calitate inginerească (cum ar fi Tough Resin sau High-Impact Resin) oferă o rezistență mult mai bună decât rășinile transparente standard - am văzut clienții trecând de la rășină standard la rășină de inginerie pe modele similare și dublează durabilitatea piesei fără a ajusta configurația de imprimare. De asemenea, este de remarcat faptul că diferite tehnologii de imprimare folosesc materiale diferite: piesele de imprimare 3D din rășină [link] se bazează pe fotopolimeri lichizi, în timp ce SLS utilizează pulberi termoplastice, iar SLM utilizează pulberi metalice, astfel încât potrivirea materialului la utilizarea finală a piesei este nenegociabilă. O greșeală pe care o văd adesea este că clienții aleg un material doar pe baza costului sau a timpului de imprimare, nu a proprietăților sale mecanice intrinseci – întotdeauna parcurgem mai întâi cazurile de utilizare pentru a restrânge opțiunile de material înainte de a atinge imprimanta.
În continuare, tehnologia de imprimare 3D și parametrii procesului joacă un rol uriaș în traducerea rezistenței acelui material într-o piesă finală. Să începem cu înălțimea stratului, una dintre cele mai de impact. Înălțimi mai mici ale straturilor (straturi mai subțiri) au ca rezultat de obicei o piesă mai puternică, deoarece există mai multe legături între straturile adiacente, dar imprimarea durează mai mult. Am avut un client luna trecută care imprima un suport funcțional pentru un braț robot: a folosit inițial straturi de 0,2 mm pentru a economisi timp, dar suportul se rupea de-a lungul liniilor straturilor când era ridicat cu o încărcătură de 5 kg. Când am trecut la straturi de 0,1 mm, aderența inter-strat a piesei s-a îmbunătățit atât de mult încât a ținut 8 kg fără probleme. Dar înălțimea stratului nu este singurul parametru. Pentru serviciul de imprimare SLS [link], de exemplu, puterea laser folosită pentru a fuziona particulele de pulbere contează: prea scăzută, iar particulele nu se leagă complet, creând goluri care slăbesc piesa; prea mare și riscați să degradați materialul, ceea ce reduce și rezistența. Pentru imprimarea cu rășină, timpul de expunere și temperatura de întărire (atât în timpul imprimării, cât și după întărire) afectează reticulare între moleculele de rășină - întărirea duce la părți moi, slabe, în timp ce supraîntărirea poate face rășina fragilă. Un alt factor cheie este densitatea de umplere și modelul, pe care le ajustăm pentru aproape fiecare client. Umplutura este structura internă a piesei, iar o piesă de umplere 100% va fi mult mai rezistentă decât o parte de umplere de 20%, dar este, de asemenea, mai grea și mai scumpă. Pentru piesele portante, vom recomanda de obicei umplere de 50-70% cu un model triunghiular sau hexagonal, care distribuie tensiunea uniform mai bine decât modelele liniare sau grilă. Am testat acest lucru pe o componentă de braț robotizat personalizată: umplutura triunghiulară a oferit o rezistență la impact cu 30% mai bună decât umplutura cu grilă la aceeași densitate, iar clientul nu a trebuit să plătească pentru material suplimentar. Orientarea piesei pe patul de imprimare este, de asemenea, critică – piesele imprimate cu straturi paralele cu o încărcare vor fi aproape întotdeauna mai slabe decât piesele imprimate cu straturi perpendiculare pe sarcină, deoarece legătura dintre straturi este mai slabă decât legătura dintr-un strat. Nu vă pot spune de câte ori am reorientat o parte a unui client pentru a remedia o problemă de rezistență, nu este necesară nicio modificare materială. De exemplu, o montură care a fost imprimată întinsă (straturi paralele cu forța de tracțiune) s-ar rupe la 100N; când l-am rotit cu 90 de grade, astfel încât straturile să alerge împotriva forței de tragere, a ținut 250 N. Aceasta este o soluție simplă care face o diferență enormă.
Apoi, există factori specifici designului, adesea trecuți cu vederea de utilizatorii începători de imprimare 3D. Cea mai mare este geometria părții, în special concentrațiile de tensiuni. Colțurile ascuțite, pereții subțiri și decupările creează puncte în care se acumulează stres, ducând la fisuri sau rupturi. De exemplu, o parte cu un unghi drept de 90 de grade va avea o rezistență mult mai mică decât aceeași parte cu un colț rotunjit (filet), deoarece colțul rotunjit distribuie stresul mai uniform. Adăugăm întotdeauna file de cel puțin 1 mm oricărei piese care va suferi o sarcină și avertizăm clienții cu privire la pereții subțiri: dacă un perete are o grosime mai mică de 1,5 mm, va fi mult mai predispus la îndoire sau rupere, mai ales dacă este fabricat dintr-un material fragil. Un alt factor de design este grosimea peretelui: grosimea uniformă a peretelui este cheia, deoarece grosimile variate duc la o răcire neuniformă în timpul imprimării, ceea ce creează stres intern. Dacă o zonă a piesei este de două ori mai groasă decât alta, zona mai groasă se va răci mai lent, ceea ce duce la deformare sau goluri care slăbesc piesa. A trebuit să reproiectăm multe piese personalizate pentru clienții care au trimis modele cu pereți neuniformi – mici ajustări care fac piesa atât imprimabilă, cât și mai puternică. Pentru piesele metalice, cum ar fi componentele din oțel inoxidabil SLA aluminiu [link] pentru imprimarea 3D a pieselor metalice, trebuie să luăm în considerare și structurile de susținere: dacă suporturile sunt plasate incorect, acestea pot lăsa suprafețe aspre sau pot deteriora piesa atunci când sunt îndepărtate, creând puncte slabe. Proiectăm amplasarea suportului special pentru piesele metalice portante, alegând tipuri de suport care minimizează îndepărtarea materialului după imprimare, astfel încât piesa finală să fie la fel de rezistentă ca materialul de bază.
Post-procesarea este pasul final care poate face sau sparge rezistența pieselor și este adesea cel mai subestimat. Pentru piesele din rășină, post-întărirea este esențială: chiar dacă setările de întărire ale imprimantei sunt perfecte, piesa are nevoie de expunere suplimentară la UV după imprimare pentru a lega complet rășina. Am testat părți care nu s-au întărit ulterioară: s-ar simți puternice imediat după imprimare, dar vor deveni moi și fragile după o săptămână de utilizare. Pentru piesele SLS, îndepărtarea pulberii și sablare cu mărgele pot îmbunătăți finisarea suprafeței, dar suprafața poate eroda pereții subțiri și poate reduce rezistența. Echilibrăm netezimea suprafeței cu integritatea structurală prin ajustarea presiunii de sablare și a timpului pentru fiecare parte. Pentru piesele metalice, pașii de post-procesare, cum ar fi tratamentul termic, sunt obișnuiți pentru a elibera stresul intern din procesul de imprimare. Piesele din oțel inoxidabil imprimate SLM, de exemplu, au solicitări interne mici din procesul de topire cu laser, care pot provoca deformarea sau crăparea dacă nu sunt eliberate. Tratamentul termic după imprimare reduce aceste tensiuni, mărind rezistența piesei cu până la 20% în unele cazuri. Oferim, de asemenea, opțiuni de finisare, cum ar fi acoperirea sau prelucrarea, dar întotdeauna avertizăm clienții că adăugarea unui strat prea gros poate adăuga stres sau crea denivelări dacă nu este aplicat corect.
Permiteți-mi să leg toate acestea cu un exemplu real din munca noastră din ultimul trimestru. O firmă de inginerie robotică a ajuns să aibă nevoie de o carcasă de mână robotizată personalizată pentru roboții umanoizi și dibaci [link], care ar putea rezista utilizării zilnice în testele de laborator, inclusiv prinderea de obiecte de până la 2 kg. Designul inițial pe care l-au prezentat a fost realizat din rășină standard, imprimat în straturi de 0,2 mm cu umplere cu grilă de 20% și avea colțuri ascuțite. Când am testat un prototip, acesta s-a rupt după prima apucare. Am analizat împreună factorii: mai întâi, am schimbat materialul la Tough Resin (piese de imprimare 3D din rășină [link]), care are de două ori rezistența la tracțiune față de rășina standard. Apoi, am ajustat înălțimea stratului la 0,1 mm pentru a îmbunătăți aderența între straturi, am schimbat umplutura la un model triunghiular de 60%, am adăugat file de 2 mm în toate colțurile și am reorientat piesa de pe patul de imprimare, astfel încât straturile să fie împotriva forței de tracțiune a dispozitivului de prindere robotizat. Am adăugat, de asemenea, o etapă post-întărire de 24 de ore pentru a asigura reticulare completă a rășinii. Partea finală a rezistat 5 kg fără să se rupă, iar clientul a mai comandat încă 50 de unități pentru laboratorul său. Acest proiect mi-a determinat că rezistența nu este despre un singur factor – este despre combinarea materialului potrivit, parametrii procesului, designul și post-procesarea pentru a satisface nevoile specifice ale piesei.
În calitate de furnizor, sarcina noastră nu este doar să imprimăm ceea ce cer clienții, ci este să îi educăm cu privire la modul în care acești factori influențează partea lor finală. Indiferent dacă imprimați un prototip mic, o componentă industrială funcțională sau o piesă robotizată personalizată, alocarea timpului pentru a face corect fiecare dintre acești factori va face diferența între o piesă care funcționează și una care eșuează atunci când contează. Dacă lucrați la un proiect și doriți să vă asigurați că piesele dvs. imprimate 3D sunt suficient de puternice pentru utilizarea prevăzută, suntem aici pentru a vă ajuta să navigați la fiecare pas, de la selecția materialului până la finisarea finală. Contactați-ne pentru a discuta cerințele dumneavoastră și pentru a obține o ofertă adaptată proiectului dumneavoastră.
Referințe
- Gibson, I., Rosen, DW și Stucker, B. (2015). Tehnologii de fabricație aditivă: imprimare 3D, prototipare rapidă și producție digitală directă. Springer.
- ASTM International. (2020). Metodă de testare standard pentru proprietățile de întindere ale materialelor plastice (ASTM D638).
- Bagchi, A., & Guceri, SI (1994). Proprietăți mecanice ale pieselor stereolitografice. Rapid Prototyping Journal, 1(1), 16-23.
- Wong, KV și Hernandez, A. (2012). O revizuire a producției aditive. ISRN Inginerie Mecanică, 2012, 1-10.
