Ako dodávateľ dielov pre 3D tlač modelov som strávil posledných päť rokov odstraňovaním problémov pre klientov od začínajúcich leteckých spoločností až po robotické tímy a jedna otázka sa vynára viac ako ktorákoľvek iná: „Ako vytlačím pevné a spoľahlivé diely, ktoré sa pri zaťažení neohýbajú, nepraskajú ani nezlyhajú?“ Nie je to triková otázka – tuhosť 3D tlačených dielov závisí oveľa menej od výberu „tuhého“ materiálu a viac od prispôsobenia materiálovej vede, nastavení tlačiarne a dizajnu špecifickým zaťaženiam, ktorým bude váš diel čeliť. Videl som, ako sa skvelé projekty vykoľajili, pretože dizajnér siahol po pevnom materiáli, ako je ABS alebo PETG, len aby upravil nesprávne nastavenia alebo orezal rohy pri orientácii, čo viedlo k tomu, že sa časť ohla pod zlomkom očakávaného zaťaženia. Dnes rozoberám praktické, vedecky podložené kroky, ktoré tu používame na dodanie 3D tlačených dielov s vysokou tuhosťou, ktoré vydržia použitie v reálnom svete – nie sú potrebné žiadne dohady.
Najprv si povedzme o základoch: výber správneho materiálu s vysokou tuhosťou. Nie všetky tuhé materiály sú rovnaké a výber nesprávneho je tá najväčšia chyba, ktorú klienti robia. Pre našeČasti modelov pre 3D tlačklientov vždy začíname vhodnosťou materiálu pre danú aplikáciu. V prípade dielov, ktoré vyžadujú extrémnu tuhosť – ako sú konzoly robotických ramien, konštrukčné prototypy leteckého priemyslu alebo vlastné kryty pre priemyselné zariadenia – nemožno obchodovať s termoplastmi s vysokým modulom ťahu. ABS je tu klasickým riešením s modulom ťahu okolo 2,2 GPa, čo znamená, že odoláva rozťahovaniu a ohýbaniu oveľa viac ako flexibilnejšie materiály ako TPU. Pravidelne používame našeSlužba 3D tlače Rapid Prototyp z ABS plastulinka pre tieto časti; proces SLA (stereolitografia), ktorý používame, vytvrdzuje ABS živicu do časti, ktorá má konzistentné molekulárne zarovnanie, čím sa eliminuje „flexia vrstiev“ bežná pri výtlačkoch nízkej kvality FDM. Pre medicínske diely, ktoré si vyžadujú tuhosť aj biokompatibilitu (ako sú chirurgické vodidlá alebo upínacie prípravky implantátov), sa obraciame na špecializovanú živicu SLA s modulom v ťahu 3,5 GPa.SLA 3D tlač pre medicínske dielySlužba zabezpečuje, že každá časť spĺňa normy biokompatibility ISO bez obetovania tuhosti. Dokonca aj pre špecializovanejšie projekty, ako je nášVlastné puzdro na robotické ruky pre humanoidných a obratných robotovsme zvolili vysokopevnú ABS živicu, ktorá vydrží opakovaný krútiaci moment a nárazy robotických kĺbov. Rýchla poznámka: vyhnite sa akejkoľvek „vysokotuhej“ živici predávanej len pre malé dekoratívne diely – väčšina z nich používa plnivo, ktoré ich robí tuhými, ale krehkými, náchylnými na rozbitie aj pri menšom zaťažení. Pred spracovaním akejkoľvek objednávky vždy testujeme vzorky materiálu na modul pevnosti v ťahu a ohybe, takže nestrácate čas na diely, ktoré vyzerajú tuho, ale pri používaní zlyhajú.
Ďalej, navrhovanie pre tuhosť nie je len o materiáli – je to o tom, ako dielec vytvarujete. Dokonca aj ten najpevnejší materiál na svete sa ohne, ak ho navrhnete ako tenkú, plochú dosku. Použime jednoduchý príklad: držiak na pripevnenie 5kg senzora na robotické rameno. Ak túto konzolu navrhnete ako 2 mm hrubú plochú tyč, dokonca aj z ABS, prehne sa pod hmotnosťou snímača. Ale ak pridáte 0,5 mm vysoké zakrivené rebrá pozdĺž nosnej hrany, rovnaká hrúbka 2 mm bude mať 3x väčšiu tuhosť v ohybe. Toto je základný koncept v stavebnom inžinierstve, ktorý sa premieta priamo do 3D tlačených dielov, a je to niečo, čím sa stretávame každýČasti modelov pre 3D tlačklienta počas procesu preskúmania návrhu. Tu je kľúčové pravidlo: postupujte podľa „cesty zaťaženia“ s geometrickými prvkami. Zaťaženia prechádzajú cez časť v priamych líniách (alebo riadených zakrivených líniách), takže akýkoľvek prvok, ktorý pretína túto cestu – ako sú rebrá, styčníky alebo zosilnené hrany – zvyšuje tuhosť bez zvýšenia hmotnosti. Tiež sa vyhýbame previsom, ktoré vyžadujú nosné konštrukcie, kde je to možné, pretože nosný materiál vytvára slabé, nekonzistentné väzby v kontaktnom bode, ktorý sa neskôr zmení na bod ohybu. V prípade robotických častí často integrujeme duté bunkové štruktúry (mriežky) do hrubých vonkajších stien; tým sa znižuje spotreba materiálu, diel je ľahký a mriežka rovnomerne rozdeľuje zaťaženie, čím sa zvyšuje tuhosť o 40 % v porovnaní s pevnými dielmi rovnakej vonkajšej veľkosti. Bežnou chybou v dizajne, ktorú klienti robia, je pridávanie príliš veľa malých prvkov alebo dier; každý otvor vytvára koncentráciu napätia, ktorá oslabuje diel, aj keď je celkový tvar tuhý. Tieto miesta namáhania vždy označujeme v našich recenziách dizajnu a navrhujeme vyhladenie alebo pridanie malého polomeru okolo otvorov na zníženie napätia.
Teraz prejdime k nastaveniam tlače – tu sa stretáva veda so strojom a kde je 3D tlač komplikovaná. Videl som dva identické dizajny dielov vytlačené na tej istej tlačiarni s rôznymi nastaveniami, jeden dostatočne tuhý na to, aby uniesol 10 kg záťaž a druhý ohýbajúci sa pod 2 kg. Najväčším faktorom je tu zarovnanie vrstiev. V prípade dielov s vysokou tuhosťou nikdy nechcete, aby sila záťaže prechádzala viacerými vrstvami pod ostrým uhlom. Ak ťahové zaťaženie ťahá po dĺžke dielu, chcete, aby boli vrstvy zarovnané rovnobežne s týmto smerom zaťaženia, nie kolmo. Napríklad, ak tlačíte obdĺžnikovú tyč, ktorá sa bude ťahať pozdĺž svojej dlhej osi, vytlačte ju tak, aby bola dlhá os tyče vodorovná, takže každá vrstva leží v tomto smere zaťaženia. Pre každú vypočítame optimálnu orientáciuSlužba 3D tlače Rapid Prototyp z ABS plastuprojekt ako štandard; náš dizajnérsky tím spúšťa simuláciu, aby klientom ukázal, ako orientácia ovplyvní tuhosť, takže nemusia hádať. Ďalej výška vrstvy: tenšie vrstvy poskytujú lepšie spojenie medzi vrstvami, čo znamená menšiu ohybnosť medzi vrstvami. Pre väčšinu častí s vysokou tuhosťou používame 0,1 mm alebo 0,15 mm vrstvy namiesto bežných 0,2 mm pre rýchlosť. Kompromisom je o niečo dlhší čas tlače, ale pevnosť väzby medzi vrstvami sa zvyšuje o 25-30%, čo je obrovský rozdiel v tuhosti. Výplň je ďalším kritickým nastavením – percento výplne a vzor priamo ovplyvňujú, ako tuhé je jadro dielu. Pre nosné diely s vysokou tuhosťou používame mriežku alebo priamočiaru výplň s hustotou 30-50%, nie výplň 10% často používanú pri prototypoch. Mriežková výplň je tuhšia ako šesťuholníková (voštinová), pretože zaťaženie je rozložené rovnomerne cez rovné čiary a lepšie sa spája s vonkajšími stenami. Vyhneme sa aj riedkej výplni nosných častí; aj pevná výplň pri 20 % je tuhšia ako šesťhranná výplň pri 10 %. Pre diely SLA, ktoré používajú tekutú živicu namiesto vlákna, sú kľúčovými nastaveniami čas expozície vrstvy a chladenie dielu. Nedostatočne exponované vrstvy majú slabé väzby, preto kalibrujeme expozičný čas pre každý typ živice – napríklad našu lekársku živicu SLA preSLA 3D tlač pre medicínske dielypoužíva 2-sekundovú expozíciu na vrstvu, ktorá je o 0,5 sekundy dlhšia ako štandard, aby sa zabezpečilo úplné vytvrdnutie a pevné spojenie medzi vrstvami. Nakoniec, pre diely FDM (hoci väčšina našich dielov s vysokou tuhosťou je SLA alebo SLS), používame teplotu trysky 245-250 C pre ABS, ktorá roztaví vlákno dostatočne na vytvorenie silnej medzivrstvovej adhézie, a teplotu lôžka 110 C, aby sa zabránilo deformácii, čo môže vytvárať nerovnomerné napätia, ktoré znižujú tuhosť.
Následné spracovanie je posledným krokom, ktorý mnohí ľudia prehliadajú, a môže spôsobiť alebo zlomiť tuhú časť. Aj s dokonalým materiálom, dizajnom a nastavením bude mať zle spracovaná časť skryté slabiny. Pre ABS diely vždy robíme acetónový parný kúpeľ. Tým sa vonkajšia vrstva vyhladí a povrch každej vrstvy sa mierne roztopí, čím vznikne monolitická (jednodielna) štruktúra namiesto samostatných vrstiev, čo zvyšuje tuhosť v ohybe až o 40 %. Závity na spojovacie prvky vŕtame alebo závitujeme aj po tlači, nie skôr, pretože závitovanie predtlačených závitov môže popraskať slabé vrstvené štruktúry. Pre medicínske diely zSLA 3D tlač pre medicínske diely, následné spracovanie zahŕňa 72-hodinové UV vytvrdzovanie, aby sa zabezpečilo úplné vytvrdnutie živice, čo zvyšuje modul pružnosti o ďalších 15 % a eliminuje akékoľvek zvyškové napätie v diele. V prípade dielov, ktoré budú vystavené teplotným zmenám (ako prototypy v letectve), vykonáme pečenie na uvoľnenie napätia: 2 hodiny pri 80 °C pre ABS, čím sa odstráni akékoľvek vnútorné napätie z procesu tlače, ktoré by časom spôsobilo deformáciu alebo ohýbanie dielu. Raz som mal od klienta, ktorý si objednal držiak na satelit, ktorý zlyhal pri testovaní, pretože sme preskočili pečenie na uvoľnenie napätia – ukázalo sa, že zvyškové napätie z tlače spôsobilo jeho ohýbanie, keď bol vystavený vákuu a teplotným zmenám v priestore. Táto chyba nás naučila urobiť z následného spracovania neobchodovateľný krok pre každý nosný diel, ktorý posielame.
Poďme si to všetko spojiť so skutočným príkladom z nášhoČasti modelov pre 3D tlačpráca: prispôsobené puzdro na robotické ruky, ktoré vyrábame pre humanoidné roboty, jeden z našich najobľúbenejších špecializovaných produktov. Klient potreboval kryt, ktorý by udržal 8 malých motorov a odolal opakovaným nárazom kývavého pohybu robota s nulovým ohybom. Začali sme s našou vysokopevnostnou SLA živicou podobnou ABS, vybranou pre jej modul pružnosti v ohybe 3,2 GPa a biologickú kompatibilitu (hoci to tu nebolo potrebné, pridalo to bezpečnostný nárazník). Ďalej sme navrhli kryt s 1,5 mm hrubými vonkajšími stenami, integrovanými 0,5 mm zakrivenými rebrami pozdĺž nosných hrán, kde sa montujú motory, a dutými mriežkovými štruktúrami vo vnútorných dutinách na rozloženie hmotnosti a zaťaženia. Kryt sme nasmerovali tak, aby dráhy zaťaženia z držiakov motora prebiehali rovnobežne s tlačovými vrstvami, použili sme 0,15 mm vrstvy, 40% výplň mriežky a kalibrovaný expozičný čas počas tlače SLA. Nakoniec sme urobili 2-hodinové pečenie na zmiernenie stresu a UV kúru. Posledný diel vážil 120 g, uniesol celkovú záťaž 2,2 kg a absolvoval 10 000 nárazových cyklov bez viditeľného ohybu – presne to, čo klient potreboval. Neskôr si objednali ďalších 12 jednotiek, ktoré boli použité v ukážke na robotickej konferencii, ktorá sa stala virálnou.
Na konci dňa nie je tlač 3D tlačených dielov s vysokou tuhosťou o orezávaní rohov alebo používaní najdrahšieho materiálu – je to o holistickom prístupe, ktorý spája materiálovú vedu, zámer dizajnu, nastavenia tlačiarne a následné spracovanie. Ako aČasti modelov pre 3D tlačdodávateľ, nepošleme vám len súčiastku; spolupracujeme s vami na zdokonalení každého kroku, aby vaša súčiastka spĺňala požiadavky na tuhosť, či už ide o prispôsobené puzdro robota, lekárskeho sprievodcu alebo prototyp leteckého priemyslu. Ak pracujete na projekte, ktorý si vyžaduje spoľahlivé, vysokopevnostné 3D tlačené diely, sme tu, aby sme vám pomohli orientovať sa pri výbere materiálov, úpravách dizajnu a výrobných nastaveniach, aby ste dosiahli požadované výsledky. Obráťte sa na nás, aby sme prediskutovali vaše požiadavky a získali prispôsobené riešenie.
Referencie
- Gibbs, B. (2021). Štrukturálna analýza 3D tlačených polymérových dielov. Journal of Additive Manufacturing, 45, 102018.
- ASTM International. (2018). Štandardná skúšobná metóda pre ťahové vlastnosti plastov (D638-18). West Conshohocken, PA: ASTM.
- Mellor, S., Hao, L., & Zhang, D. (2014). Aplikácie aditívnej výroby v priemysle: Prehľad. Journal of Manufacturing Processes, 16(1), 2-12.
- ISO 10993-5:2019. Biologické hodnotenie zdravotníckych pomôcok – Časť 5: Testy na cytotoxicitu in vitro. Ženeva, Švajčiarsko: Medzinárodná organizácia pre normalizáciu.
- Wang, Y., a kol. (2020). Vplyv orientácie vrstvy na mechanické vlastnosti FDM 3D tlačených ABS dielov. Materials & Design, 190, 108557.
