Как поставщик деталей для моделей 3D-печати, я провел последние пять лет, устраняя неполадки в проектах для клиентов, начиная от аэрокосмических стартапов и заканчивая командами робототехники, и один вопрос возникает больше, чем любой другой: «Как мне печатать жесткие, надежные детали, которые не изгибаются, не трескаются и не выходят из строя под нагрузкой?» Это не вопрос с подвохом: жесткость деталей, напечатанных на 3D-принтере, зависит гораздо меньше от простого выбора «жесткого» материала, а больше от соответствия материаловедения, настроек принтера и конструкции конкретным нагрузкам, которым будет подвергаться ваша деталь. Я видел, как отличные проекты терпели крах, потому что дизайнер использовал жесткий материал, такой как ABS или PETG, только для того, чтобы неправильно настроить параметры или срезать углы при ориентации, в результате чего деталь сгибалась под небольшой частью ожидаемой нагрузки. Сегодня я расскажу о практических, научно обоснованных шагах, которые мы используем здесь для создания высокожестких 3D-печатных деталей, которые выдерживают реальное использование — никаких догадок не требуется.
Сначала поговорим о фундаменте: правильном выборе материала повышенной жесткости. Не все жесткие материалы одинаковы, и выбор неправильного материала — самая большая ошибка, которую, как мы видим, совершают клиенты. Для нашегоДетали модели для 3D-печатиклиентов, мы всегда начинаем с пригодности материала для применения. Для деталей, которым требуется чрезвычайная жесткость — например, кронштейнов роботизированных манипуляторов, прототипов аэрокосмических конструкций или нестандартных корпусов для промышленного оборудования — термопласты с высоким модулем растяжения не подлежат обсуждению. Классический вариант здесь — ABS с модулем упругости около 2,2 ГПа, что означает, что он сопротивляется растяжению и изгибу гораздо лучше, чем более гибкие материалы, такие как ТПУ. Мы регулярно пользуемся нашимУслуги 3D-печати Быстрый прототип из АБС-пластикалиния для этих деталей; Используемый нами процесс SLA (стереолитографии) отверждает АБС-пластик, образуя деталь, которая имеет постоянное молекулярное выравнивание, устраняя «прогиб линий слоев», характерный для некачественных отпечатков FDM. Для медицинских деталей, которым необходима как жесткость, так и биосовместимость (например, хирургические шаблоны или крепления для имплантатов), мы обращаемся к специализированной смоле SLA с модулем растяжения 3,5 ГПа.SLA 3D-печать для медицинских деталейсервис гарантирует, что каждая деталь соответствует стандартам биосовместимости ISO без ущерба для жесткости. Даже для более нишевых проектов, таких как нашИзготовленный на заказ корпус роботизированной руки для гуманоидных и ловких роботовМы выбрали высокожесткую АБС-пластику, которая выдерживает повторяющиеся крутящие моменты и удары роботизированных соединений. Небольшое примечание: избегайте использования смол «высокой жесткости», продаваемых только для небольших декоративных деталей — в большинстве из них используется наполнитель, который делает их жесткими, но хрупкими, склонными к разрушению даже при незначительных нагрузках. Перед обработкой любого заказа мы всегда проверяем образцы материалов на модуль упругости при растяжении и изгибе, чтобы вы не тратили время на детали, которые выглядят жесткими, но выходят из строя в использовании.
Далее, при проектировании жесткости речь идет не только о материале, но и о том, как вы придаете детали форму. Даже самый жесткий материал в мире будет гнуться, если вы спроектируете его как тонкую плоскую доску. Давайте возьмем простой пример: кронштейн для крепления датчика массой 5 кг к роботизированной руке. Если вы спроектируете этот кронштейн в виде плоского стержня толщиной 2 мм, даже из ABS, он прогнется под весом датчика. Но если вы добавите изогнутые ребра высотой 0,5 мм вдоль несущего края, то при той же толщине в 2 мм жесткость на изгиб будет в 3 раза выше. Это фундаментальная концепция строительного проектирования, которая напрямую переносится на 3D-печатные детали, и это то, с чем мы сталкиваемся каждый день.Детали модели для 3D-печатиклиентом в процессе рассмотрения проекта. Ключевое правило здесь: следовать «пути нагрузки» с геометрическими особенностями. Нагрузки проходят через деталь по прямым линиям (или контролируемым изогнутым линиям), поэтому любой элемент, пересекающий этот путь, например ребра, косынки или усиленные края, увеличивает жесткость без увеличения веса. Мы также избегаем выступов, которые требуют опорных конструкций, где это возможно, поскольку материал поддержки создает слабые, непостоянные связи в точке контакта, которые позже превращаются в точку изгиба. Для деталей роботов мы часто интегрируем полые ячеистые конструкции (решетки) внутри толстых внешних стенок; это сокращает использование материала, сохраняет деталь легкой, а решетка равномерно распределяет нагрузку, повышая жесткость на 40% по сравнению с цельными деталями того же внешнего размера. Распространенная ошибка при проектировании, которую допускают клиенты, — это добавление слишком большого количества мелких элементов или отверстий; каждое отверстие создает концентрацию напряжений, которая ослабляет деталь, даже если общая форма жесткая. Мы всегда отмечаем эти горячие точки в наших обзорах проектов и предлагаем сгладить или добавить небольшой радиус вокруг отверстий, чтобы уменьшить напряжение.
Теперь давайте перейдем к настройкам печати — здесь наука встречается с машиной, а 3D-печать становится сложнее. Я видел две идентичные конструкции деталей, напечатанные на одном и том же принтере с разными настройками: одна достаточно жесткая, чтобы выдержать нагрузку в 10 кг, а другая сгибается под 2 кг. Самый важный фактор здесь — выравнивание слоев. Для деталей высокой жесткости никогда нежелательно, чтобы силы нагрузки пересекали несколько слоев под острым углом. Если растягивающая нагрузка тянется по длине детали, необходимо, чтобы слои были выровнены параллельно направлению нагрузки, а не перпендикулярно. Например, если вы печатаете прямоугольный стержень, который будет растягиваться вдоль его длинной оси, распечатайте его так, чтобы длинная ось стержня была горизонтальной, чтобы каждый слой располагался вдоль этого направления нагрузки. Мы рассчитываем оптимальную ориентацию для каждогоУслуги 3D-печати Быстрый прототип из АБС-пластикапроект в стандартной комплектации; Наша команда дизайнеров проводит моделирование, чтобы показать клиентам, как ориентация повлияет на жесткость, чтобы им не приходилось гадать. Далее, высота слоя: более тонкие слои обеспечивают лучшее межслоевое соединение, что означает меньшую гибкость между слоями. Для большинства деталей высокой жесткости мы используем слои толщиной 0,1 мм или 0,15 мм вместо обычных 0,2 мм для скорости. Компромиссом является немного большее время печати, но прочность межслоевого соединения увеличивается на 25-30%, что является огромной разницей в жесткости. Заполнение — еще один важный параметр: процент заполнения и рисунок напрямую влияют на жесткость сердцевины детали. Для несущих деталей высокой жесткости мы используем сетку или прямолинейное заполнение с плотностью 30-50%, а не 10% заполнение, которое часто используется для прототипов. Заполнение сетки более жесткое, чем шестиугольное (сотовое), поскольку нагрузка распределяется равномерно по прямым линиям и лучше сцепляется с наружными стенами. Мы также избегаем редкого заполнения несущих частей; даже сплошное заполнение при 20 % жестче, чем шестиугольное заполнение при 10 %. Для деталей SLA, в которых вместо нити используется жидкая смола, ключевыми настройками являются время выдержки слоя и охлаждение детали. Недоэкспонированные слои имеют слабые связи, поэтому мы калибруем время воздействия для каждого типа смолы, например, нашей смолы SLA медицинского назначения дляSLA 3D-печать для медицинских деталейиспользует 2-секундную выдержку каждого слоя, что на 0,5 секунды дольше стандартной, чтобы обеспечить полное отверждение и прочное межслоевое соединение. Наконец, для деталей FDM (хотя большинство наших деталей с высокой жесткостью относятся к SLA или SLS) мы используем температуру сопла 245-250°C для ABS, которая плавит нить настолько, чтобы создать прочное межслойное сцепление, и температуру основания 110°C, чтобы предотвратить коробление, которое может создавать неравномерные напряжения, снижающие жесткость.
Постобработка — это последний шаг, который многие люди упускают из виду, и он может сделать или сломать жесткую деталь. Даже при идеальном материале, дизайне и настройках плохо обработанная деталь будет иметь скрытые недостатки. Для деталей из АБС-пластика мы всегда используем паровую ванну с ацетоном. При этом внешний слой сглаживается, а поверхность каждого слоя слегка оплавляется, создавая вместо отдельных слоев монолитную (цельную) структуру, что увеличивает жесткость на изгиб до 40%. Мы также сверлим или нарезаем резьбу для крепежа после печати, а не до, потому что постукивание по уже напечатанной резьбе может привести к растрескиванию слабых слоистых структур. Для медицинских деталей изSLA 3D-печать для медицинских деталейПоследующая обработка включает 72-часовое УФ-отверждение для обеспечения полного отверждения смолы, что повышает модуль упругости еще на 15 % и устраняет любые остаточные напряжения в детали. Для деталей, которые будут подвергаться изменениям температуры (например, аэрокосмические прототипы), мы проводим запекание для снятия напряжений: 2 часа при температуре 80°C для ABS, что устраняет любые внутренние напряжения в процессе печати, которые могут привести к деформации или изгибу детали с течением времени. Однажды у меня был клиент, заказавший кронштейн для полезной нагрузки спутника, который не прошел испытания, потому что мы пропустили запекание для снятия напряжений — оказывается, остаточное напряжение от печати заставило его согнуться под воздействием вакуума и изменений температуры в космосе. Эта ошибка научила нас делать постобработку непреложным этапом для каждой отправляемой нами несущей детали.
Давайте свяжем все это вместе с реальным примером из нашейДетали модели для 3D-печатиработа: индивидуальный корпус роботизированной руки, который мы производим для роботов-гуманоидов, один из наших самых популярных нишевых продуктов. Клиенту нужен был корпус, который вмещал бы 8 небольших моторов и выдерживал бы повторяющиеся удары от раскачивающих движений робота, не прогибаясь. Мы начали с нашей высокожесткой смолы SLA, подобной ABS, выбранной из-за ее модуля упругости при изгибе 3,2 ГПа и биосовместимости (хотя здесь это не требовалось, это добавляло буфер безопасности). Затем мы спроектировали корпус с внешними стенками толщиной 1,5 мм, встроенными изогнутыми ребрами толщиной 0,5 мм вдоль несущих кромок, где крепятся двигатели, и полыми решетчатыми конструкциями во внутренних полостях для распределения веса и нагрузки. Мы сориентировали корпус так, чтобы пути нагрузки от креплений двигателя проходили параллельно слоям печати, использовали слои толщиной 0,15 мм, заполнение сетки 40% и калибровали время выдержки во время печати SLA. Наконец, мы провели двухчасовую запекание для снятия стресса и обработку ультрафиолетом. Последняя деталь весила 120 г, выдерживала общую нагрузку 2,2 кг и выдержала 10 000 циклов ударов без видимого прогиба — именно то, что нужно клиенту. Позже они заказали еще 12 единиц, которые использовались в демонстрации на конференции по робототехнике, которая стала вирусной.
В конце концов, печать высокожестких 3D-печатных деталей заключается не в срезании углов или использовании самого дорогого материала, а в целостном подходе, который связывает воедино материаловедение, проектный замысел, настройки принтера и постобработку. КакДетали модели для 3D-печатипоставщик, мы не просто отправляем вам деталь; Мы работаем с вами над совершенствованием каждого шага, чтобы ваша деталь соответствовала требованиям к жесткости, будь то индивидуальный корпус робота, медицинское руководство или аэрокосмический прототип. Если вы работаете над проектом, которому необходимы надежные, высокожесткие детали, напечатанные на 3D-принтере, мы здесь, чтобы помочь вам сориентироваться в выборе материалов, конструктивных изменениях и производственных настройках, чтобы получить нужные вам результаты. Свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши требования и получить индивидуальное решение.
Ссылки
- Гиббс, Б. (2021). Структурный анализ 3D-печатных полимерных деталей. Журнал аддитивного производства, 45, 102018.
- АСТМ Интернешнл. (2018). Стандартный метод испытания свойств пластмасс на растяжение (D638-18). Вест-Коншохокен, Пенсильвания: ASTM.
- Меллор С., Хао Л. и Чжан Д. (2014). Применение аддитивного производства в промышленности: обзор. Журнал производственных процессов, 16 (1), 2-12.
- ИСО 10993-5:2019. Биологическая оценка медицинских изделий. Часть 5. Испытания на цитотоксичность in vitro. Женева, Швейцария: Международная организация по стандартизации.
- Ван Ю. и др. (2020). Влияние ориентации слоев на механические свойства деталей из ABS, напечатанных методом FDM 3D. Материалы и дизайн, 190, 108557.
