Ако някога сте държали 3D отпечатана част, която се щракаше лесно, когато се опитате да я завинтите, или компонент, който се чувстваше достатъчно здрав, за да издържи на многократна употреба, вече знаете, че не цялата 3D отпечатана здравина е еднаква. Като доставчик на части за модели за 3D печат, прекарах години в отстраняване на тези точни разлики за клиенти – от малки стартиращи роботи в областта на роботиката, които се нуждаят от издръжливи корпуси, до екипи за медицински устройства, изискващи прецизни, здрави прототипи. Истината е, че силата на една 3D отпечатана част не е случайна; той е оформен от комбинация от избор на материали, настройки на технологията за печат, дизайнерски решения и стъпки за последваща обработка. Нека да разбием всеки от тези фактори, да споделим уроците от реалния свят, които научих по време на работа, и да ги свържем с типовете части, които произвеждаме всеки ден.
Първо и най-важно, избраният от вас материал е основополагащият фактор за частична здравина. Не мога да ви кажа колко пъти клиент е идвал при нас, искайки персонализиран роботизиран ръчен корпус за хуманоидни и сръчни роботи [връзка], който трябва да хваща тежки предмети, но е избрал евтина смола, защото печата по-бързо – само за да се счупи корпусът след седмица тестване. Смолите са чудесни за фини детайли, но повечето стандартни фотополимерни смоли са крехки, особено в сравнение с термопластите, използвани при прахов печат. За носещи части, аз винаги насочвам клиентите към специфични за материала данни за якост, а не само повърхностно покритие. Например, ако печатате част, която се нуждае от висока якост на опън или устойчивост на удар, ще получите различни резултати от PLA (често срещана термопластмаса) срещу найлон, срещу метал. Найлонът, когато се обработва чрез селективно лазерно синтероване (SLS), е гъвкав и устойчив на удар, което го прави идеален за роботизирани кутии, докато SLM 3D печатните модели от неръждаема стомана [link] части осигуряват изключителна якост на опън за компоненти на индустриални машини. Дори сред смолите, смолите от инженерен клас (като здрава смола или смола с висока устойчивост) предлагат много по-добра здравина от стандартните прозрачни смоли – виждали сме клиенти да надграждат от стандартна смола до инженерна смола при подобни дизайни и да удвояват издръжливостта на детайла, без да коригират настройката за печат. Също така си струва да се отбележи, че различните технологии за печат използват различни материали: частите от смола за 3D печат [link] разчитат на течни фотополимери, докато SLS използва термопластични прахове, а SLM използва метални прахове, така че съпоставянето на материала с крайната употреба на частта не подлежи на обсъждане. Грешка, която виждам често, е, че клиентите избират материал въз основа единствено на цената или времето за печат, а не на присъщите му механични свойства – винаги първо преминаваме през случаите на употреба, за да стесним възможностите за материал, преди дори да докоснем принтера.
На следващо място, технологията за 3D печат и параметрите на процеса играят огромна роля при превръщането на здравината на този материал в крайната част. Нека започнем с височината на слоя, една от най-въздействащите настройки. По-ниските височини на слоя (по-тънките слоеве) обикновено водят до по-здрава част, тъй като има повече връзки между съседните слоеве, но отнема повече време за печат. Имах клиент миналия месец, който отпечатваше функционална скоба за роботизирана ръка: първоначално той използваше 0,2 мм слоеве, за да спести време, но скобата се счупваше по линиите на слоевете, когато се повдигаше с товар от 5 кг. Когато преминахме към слоеве от 0,1 mm, адхезията между слоевете на частта се подобри толкова много, че издържаше 8 kg без проблем. Но височината на слоя не е единственият параметър. За услугата за печат SLS [връзка] например мощността на лазера, използвана за стопяване на частици прах, е от значение: твърде ниска и частиците не се свързват напълно, създавайки празнини, които отслабват частта; твърде висока и рискувате да влошите качеството на материала, което също намалява здравината. За печат със смола, времето на излагане и температурата на втвърдяване (както по време на печат, така и след втвърдяване) влияят на омрежването между молекулите на смолата – недостатъчното втвърдяване води до меки, слаби части, докато прекомерното втвърдяване може да направи смолата крехка. Друг ключов фактор е плътността и шарката на пълнежа, които коригираме за почти всеки клиент. Пълнежът е вътрешната структура на частта и част със 100% пълнеж ще бъде много по-здрава от част с 20% пълнеж, но също така е по-тежка и по-скъпа. За носещи части обикновено препоръчваме 50-70% пълнеж с триъгълен или шестоъгълен модел, който разпределя напрежението равномерно по-добре от линейните или решетъчните шарки. Тествахме това върху персонализиран компонент на роботизирана ръка: триъгълният пълнеж осигури 30% по-добра устойчивост на удар от решетъчния пълнеж при същата плътност и клиентът не трябваше да плаща за допълнителен материал. Ориентацията на частта върху печатащото легло също е от решаващо значение – частите, отпечатани със слоеве, успоредни на товара, почти винаги ще бъдат по-слаби от частите, отпечатани със слоеве, перпендикулярни на товара, тъй като връзката между слоевете е по-слаба от връзката в слоя. Не мога да ви кажа колко пъти сме преориентирали клиентска част, за да коригираме проблем със здравината, не е необходима съществена промяна. Например, монтиране, което е отпечатано легнало плоско (слоеве, успоредни на силата на издърпване), ще щракне при 100N; когато го завъртяхме на 90 градуса, така че слоевете да се движат срещу силата на теглене, той издържа 250N. Това е проста корекция, която прави огромна разлика.
След това има специфични за дизайна фактори, често пренебрегвани от потребителите, които за първи път използват 3D печат. Най-голямата е геометрията на детайлите, особено концентрациите на напрежение. Остри ъгли, тънки стени и подрязвания създават точки, където се натрупва напрежение, което води до пукнатини или счупвания. Например част с прав ъгъл от 90 градуса ще има много по-ниска якост от същата част със заоблен (заоблен) ъгъл, тъй като заобленият ъгъл разпределя напрежението по-равномерно. Винаги добавяме фили от поне 1 мм към всяка част, която ще изпита натоварване, и предупреждаваме клиентите за тънки стени: ако една стена е с дебелина под 1,5 мм, тя ще бъде много по-податлива на огъване или счупване, особено ако е направена от чуплив материал. Друг фактор при дизайна е дебелината на стената: равномерната дебелина на стената е от ключово значение, тъй като различните дебелини водят до неравномерно охлаждане по време на печат, което създава вътрешно напрежение. Ако една област на частта е два пъти по-дебела от друга, по-дебелата област ще се охлади по-бавно, което води до изкривяване или празнини, които отслабват частта. Трябваше да препроектираме много персонализирани части за клиенти, които изпратиха проекти с неравни стени – малки корекции, които правят частта както годна за печат, така и по-здрава. За метални части, като 3D печатащи метални части SLA алуминиеви компоненти от неръждаема стомана [връзка], ние също трябва да вземем предвид опорните структури: ако опорите са поставени неправилно, те могат да оставят грапави повърхности или да повредят частта при отстраняване, създавайки слаби места. Ние проектираме поставяне на опори специално за носещи метални части, като избираме видове опори, които минимизират отстраняването на материал след печат, така че крайната част да е толкова здрава, колкото основния материал.
Постобработката е последната стъпка, която може да увеличи или наруши здравината на частта и често е най-недооценената. За частите от смола последващото втвърдяване е от съществено значение: дори ако настройките за втвърдяване на принтера са перфектни, частта се нуждае от допълнително излагане на ултравиолетови лъчи след отпечатване, за да омреже напълно смолата. Тествахме части, които не са претърпели последващо втвърдяване: те биха се чувствали здрави веднага след отпечатването, но биха станали меки и чупливи след една седмица употреба. За части от SLS, отстраняването на праха и бластирането с перли може да подобри повърхностното покритие, но прекомерното шлифоване може да разруши тънките стени и да намали здравината. Ние балансираме гладкостта на повърхността със структурната цялост, като регулираме налягането и времето за бластиране на перли за всяка част. За металните части стъпките на последваща обработка като топлинна обработка са обичайни за облекчаване на вътрешния стрес от процеса на печат. SLM отпечатаните части от неръждаема стомана, например, имат малки вътрешни напрежения от процеса на лазерно топене, които могат да причинят изкривяване или напукване, ако не бъдат облекчени. Топлинната обработка след отпечатване намалява тези напрежения, повишавайки здравината на частта с до 20% в някои случаи. Ние също така предлагаме опции за довършителни работи като покритие или машинна обработка, но винаги предупреждаваме клиентите, че добавянето на твърде дебело покритие може да увеличи напрежението или да създаде неравности, ако не е нанесено правилно.
Нека свържа всичко това заедно с реален пример от нашата работа през последното тримесечие. Инженерна фирма за роботика се свърза с нужда от персонализиран роботизиран ръчен корпус за хуманоидни и сръчни роботи [връзка], който може да издържи на ежедневна употреба при лабораторни тестове – включително хващане на предмети до 2 кг. Първоначалният дизайн, който представиха, беше направен от стандартна смола, отпечатана на слоеве от 0,2 mm с 20% пълнеж от мрежа и имаше остри ъгли. Когато тествахме прототип, той се счупи след първото хващане. Разгледахме факторите заедно: първо, сменихме материала с здрава смола от инженерен клас (части за 3D печат от смола [линк]), която има 2 пъти по-голяма якост на опън от стандартната смола. След това коригирахме височината на слоя до 0,1 mm, за да подобрим адхезията между слоевете, променихме пълнежа на 60% триъгълен модел, добавихме 2 mm филета към всички ъгли и преориентирахме частта върху печатащото легло, така че слоевете да се движат срещу силата на теглене на роботизирания грайфер. Добавихме и 24-часова стъпка на последващо втвърдяване, за да осигурим пълно омрежване на смола. Последната част издържа 5 кг, без да се счупи, и оттогава клиентът е поръчал още 50 единици за своята лаборатория. Този проект ми показа, че силата не е свързана с един-единствен фактор – става въпрос за комбиниране на правилния материал, параметри на процеса, дизайн и последваща обработка, за да се отговори на специфичните нужди на частта.
Като доставчик, нашата работа не е просто да отпечатаме това, което клиентите поискат, а да ги образоваме как тези фактори влияят върху крайната им част. Независимо дали отпечатвате малък прототип, функционален промишлен компонент или персонализирана роботизирана част, отделянето на време, за да направите всеки от тези фактори правилните, ще означава разликата между част, която работи, и тази, която се проваля, когато има значение. Ако работите по проект и искате да се уверите, че вашите 3D отпечатани части са достатъчно здрави за предназначението им, ние сме тук, за да ви помогнем да навигирате във всяка стъпка – от избора на материал до финалната обработка. Свържете се с нас, за да обсъдим вашите изисквания и да получите оферта, съобразена с вашия проект.
Референции
- Gibson, I., Rosen, DW, & Stucker, B. (2015). Технологии за адитивно производство: 3D печат, бързо прототипиране и директно дигитално производство. Спрингър.
- ASTM International. (2020 г.). Стандартен метод за изпитване на свойства на опън на пластмаси (ASTM D638).
- Bagchi, A., & Guceri, SI (1994). Механични свойства на стереолитографските части. Вестник за бързо прототипиране, 1 (1), 16-23.
- Wong, KV, & Hernandez, A. (2012). Преглед на адитивното производство. ISRN Машиностроене, 2012, 1-10.
