Если вы когда-нибудь держали в руках деталь 3D-печатной модели и постукивали по ней ногтем, вы, вероятно, замечали, что она звучит иначе, чем механически обработанная пластиковая игрушка или деталь из литого металла. Как поставщика деталей для 3D-печати, меня постоянно спрашивают, почему этот крошечный щелчок так сильно различается в зависимости от того, что мы печатаем для клиентов, какой материал используем или даже настроек наших принтеров. Это не просто случайность: акустические свойства 3D-печатных деталей представляют собой сочетание технологий, которые мы используем, материала, который мы выбираем, и крошечной послойной структуры, которую мы создаем. Давайте разберемся, без перегрузки жаргоном, только реальные вещи, которые мы видим каждый день в нашем магазине.
Во-первых, давайте упростим: акустические свойства здесь означают, как деталь взаимодействует со звуком: поглощает ли она его, отражает, вибрирует при ударе или издает глухой стук, а не сплошной звук? Каждый процесс 3D-печати меняет и это. Например, когда мы используем службу печати SLS для некоторых деталей, соединение слоев происходит очень равномерно, что меняет звук намного больше, чем процесс с более слабым соединением слоев. Я привяжу сюда нашу реальную работу, так что это не просто теория, поскольку мы отправляем тонны этих деталей клиентам, начиная от производителей аудиоаппаратуры и заканчивая дизайнерами прототипов, которым важно, как звучат их детали.
Начнем с самой большой переменной: материала. Это первое, что спрашивает клиент, отправляя деталь для проекта: «Как это будет звучать?» Давайте рассмотрим распространенные материалы, с которыми мы работаем, и то, как меняются их акустические вибрации. Большинство наших пластиковых деталей производятся на нашей линии 3D-печати из АБС-пластика Rapid Prototype, верно? ABS — это тот прочный, знакомый пластик, который можно увидеть в игрушках или обшивке автомобиля. При 3D-печати с использованием SLS или SLA детали из ABS имеют плотную, слегка гибкую структуру, поскольку слои плотно сплавляются друг с другом. Коснитесь небольшой тестовой детали из ABS, и она издаст резкий, пронзительный звук — намного ярче, чем деталь, напечатанная на 3D-принтере, сделанная, скажем, из гибкого ТПУ. ТПУ мягкий, поэтому поглощает большую часть звука, поэтому постукивание по нему звучит глухо и приглушенно, высоких нот вообще нет. В прошлом квартале мы использовали чехол из ТПУ для новых беспроводных наушников клиента, и они специально запросили мягкий, шумопоглощающий звук, чтобы касание не мешало микрофону. Акустические свойства напрямую влияют на дизайн продукта.
Еще есть металлические детали — они дикие, потому что их акустическое поведение полностью отличается от пластиковых. Когда мы печатаем металлические детали, мы в основном используем SLM (селективное лазерное плавление) для таких материалов, как нержавеющая сталь или алюминий. Детали модели SLM из нержавеющей стали, напечатанной на 3D-принтере, которые мы поставляем, представляют собой твердый, плотный металл без зазоров между слоями (благодаря мощному лазеру, полностью плавящему каждую частицу). Постучите по небольшой детали SLM из нержавеющей стали, и она издаст глубокий, насыщенный звук, похожий на звук литой металлической детали, потому что структура слоев очень цельная. Мы также занимаемся 3D-печатью металлических деталей SLA из алюминия и нержавеющей стали для более мелких и высокоточных деталей, а алюминий даже ярче стали — его высокая плотность делает звук очень четким, поэтому его используют для таких вещей, как гитарные мосты или небольшое оборудование, где важна четкость звука. Однажды я напечатал алюминиевый прототип динамика, и клиент сказал, что пинг-тест прошел идеально, потому что он отражал нужное количество звука без эха.
Теперь то, что удивляет большинство людей: высота слоя и заполнение. Даже если вы используете тот же материал и принтер, толщина каждого слоя и степень заполненности внутренней части детали сильно меняют звук. Большинство людей не думают о заполнении до тех пор, пока не постучат по детали, и она не покажется пустой. Если деталь имеет 10% заполнения (очень редкое, как сетка с большим количеством воздушных зазоров), постукивание по ней приводит к глухому глухому стуку — как при постукивании по пенопластовой чашке. У нас был клиент, который делал модель экспозиции для музея, и ему не нравился этот глухой звук, поэтому мы увеличили заполнение до 30% и добавили сплошные верхний и нижний слои, что сделало ее более солидной, как цельная деревянная модель. Высота слоя также имеет значение: меньшие слои (0,1 мм против 0,3 мм) означают более гладкую, более плотно слитую поверхность и внутреннюю структуру, поэтому звук становится более последовательным и отражающим. Мы используем небольшие слои для частей, которым необходима акустическая согласованность, например, для прототипов чехлов для телефонов, потому что пользователь будет неоднократно нажимать на них при наборе текста или смахивании.
Подождите, давайте не будем пропускать сам процесс печати — именно здесь действительно проявляется наша работа в качестве поставщика деталей моделей для 3D-печати. В SLA (стереолитографии) используется жидкая смола, отверждаемая ультрафиолетом, при этом слои практически невидимы. Детали SLA очень гладкие и плотные, поэтому их звук напоминает твердый пластик, чистый, средней тональности. SLS, с другой стороны, сплавляет порошкообразный пластик с помощью лазера, и поверхность становится немного пористой (но не шероховатой) по сравнению с SLA. Детали SLS звучат немного более приглушенно, чем SLA, потому что крошечные промежутки между частицами порошка (даже сплавленными) поглощают небольшую часть звуковой энергии. В прошлом году мы изготовили партию индивидуальных пластиковых кронштейнов SLS для компании по производству домашних кинотеатров, и они выбрали SLS именно потому, что слегка приглушенный звук уменьшал количество вибрации, передаваемой через кронштейны на стену кинотеатра — никакого раздражающего шума во время сцен фильма. Это прекрасный пример того, как акустические свойства напрямую влияют на функциональный продукт, а не только на модель.
Еще один важный момент: обработка поверхности. Многие клиенты забывают, что постобработка тоже меняет звук. Мы делаем такие вещи, как шлифовка, полировка или покрытие деталей после печати, и это меняет способ взаимодействия детали со звуком. Необработанная, неполированная деталь SLA имеет небольшую шероховатость поверхности, которая поглощает звук на микроуровне, делая звук немного приглушенным. Отполируйте эту часть до гладкости, и звук станет ярче и отражательнее, потому что будет меньше поверхности, способной улавливать звуковые волны. К нам обратился ювелирный производитель за небольшими металлическими подвесками, напечатанными на 3D-принтере, и им нужна была блестящая, полированная отделка, которая также издавала бы чистый, нежный звон при постукивании, поэтому мы отполировали всю поверхность, и это именно то, что они получили. Никакой дополнительной работы, кроме этапа постобработки для настройки акустической атмосферы.
Теперь поговорим о распространенных заблуждениях. Многие люди думают, что «3D-печать» означает «пустое и дешевое звучание», но это только в том случае, если вы используете малое заполнение или плохие настройки принтера. Мы печатаем детали из цельного металла с помощью SLM, которые звучат так же хорошо, как металл, обработанный механической обработкой, и детали из АБС-пластика с высоким заполнением, которые звучат как твердый пластик. Я постучал по кронштейну из нержавеющей стали, напечатанному на 3D-принтере, который мы сделали в прошлом месяце, и он звучал так прочно, что моя коллега думала, что он отлит, пока я не сказал ей. Ключевым моментом является соответствие метода печати и материала акустическим требованиям детали. Мы работаем с клиентами, чтобы выбрать правильный прототип для 3D-печати из АБС-пластика или металлическую деталь SLM, исходя из их акустических потребностей, а не только прочности или стоимости. Например, если клиенту нужна деталь, поглощающая звук (например, вставка корпуса динамика), мы будем использовать ТПУ с высоким заполнением и матовой поверхностью. Если им нужен отражающий чистый звук (например, прототип музыкального инструмента), мы будем использовать алюминий с полированными поверхностями из нашей линии 3D-печати металлических деталей SLA из алюминия и нержавеющей стали.
А как насчет приложений, выходящих за рамки аудиооборудования? Мы напечатали 3D-модели для архитектурных фирм, которым важно, как звучит модель, когда вы нажимаете на нее, чтобы указать на окно или дверь. Модель с полыми стенками (низкое заполнение) звучит дешево, поэтому мы корректируем заполнение, чтобы оно звучало более солидно для презентаций. Мы также напечатали компоненты роботов, для которых важна вибрация: если деталь робота слишком резонансная, она может вызвать шум, который испортит работу датчиков, поэтому мы используем материалы с демпфирующими свойствами или корректируем наполнитель, чтобы он поглощал вибрацию, что меняет акустические свойства в лучшую сторону. Это не просто приятно иметь; это функциональная инженерия.
Давайте поговорим о нашем опыте в магазине по-настоящему, потому что я не хочу, чтобы это было учебником. В прошлом месяце к нам обратился стартап с прототипом портативной Bluetooth-колонки. У них была пластиковая деталь SLA, напечатанная на 3D-принтере, которая при тестировании издавала жестяное эхо, и это ухудшало качество звука динамика. Мы попробовали две вещи: во-первых, мы перешли на более толстую деталь из АБС-пластика из нашей линии 3D-печати из АБС-пластика Rapid Prototype, а во-вторых, мы добавили 25% заполнения и пенопластовое покрытие внутри. Когда они протестировали его, эхо исчезло, а тон динамика стал намного теплее — и все это потому, что мы скорректировали акустические свойства 3D-печатной детали. Именно тогда я понял, как часто такие вещи возникают, даже с продуктами, которые сами по себе не имеют никакого отношения к звуку.
Другой пример: недавно мы отправили партию деталей модели из нержавеющей стали, напечатанной SLM 3D, клиенту из аэрокосмической отрасли. Им нужны были небольшие кронштейны, которые не вибрировали бы на большой высоте, и акустические испытания были частью процесса утверждения. Нержавеющая сталь обладает естественными демпфирующими свойствами, но структура слоев SLM сделала ее еще более стабильной — поэтому при проведении испытаний на вибрацию деталь не резонировала, а это именно то, что им было нужно. Это очень специфический вариант использования, но он показывает, что акустические свойства имеют значение не только для аудиопродуктов.
Теперь, если вы подумываете о том, чтобы получить детали модели, напечатанные на 3D-принтере, как вы используете эту информацию? Во-первых, определите, какое поведение звука вам нужно: хотите ли вы, чтобы он отражал звук (яркий, тихий) или поглощал его (тусклый, приглушенный)? Затем выберите материал и способ печати. Если вам нужен пластик, SLS подойдет для легкого демпфирования, SLA для яркого, ABS для сбалансированного. Если вам нужен металл, нержавеющая сталь — глубокая, алюминий — блестящий, а SLM дает вам цельную структуру, которая звучит как обработанный металл. Кроме того, при заказе укажите акустические потребности — мы не просто печатаем детали, мы помогаем настроить параметры, чтобы получить желаемый звук.
В конце концов, акустические свойства деталей 3D-печатной модели не являются случайной особенностью технологии — это то, что мы контролируем каждый день в нашем магазине, от материала, который мы выбираем, до настроек заполнения и слоев. Как поставщик деталей для моделей для 3D-печати, мы за годы работы поняли, что время, потраченное на разговоры о звуке (даже если это не первое, о чем говорит клиент), имеет огромное значение для того, как работает их конечный продукт.
Если вы работаете над проектом, где звук или вибрация имеют значение, или вы просто хотите получить детали модели, напечатанные на 3D-принтере, которые звучат именно так, как вам нужно, не стесняйтесь обращаться к нам. Мы можем познакомить вас с лучшими вариантами, будь то наша услуга SLS-печати, наша линия 3D-печати из АБС-пластика для быстрых прототипов или наши предложения SLM для 3D-печати модели из нержавеющей стали и 3D-печати металлических деталей SLA из алюминия и нержавеющей стали. Мы здесь, чтобы убедиться, что ваши детали работают так, как вы хотите, акустически и функционально.
Ссылки
- Гибсон И., Розен Д. и Стакер Б. (2015). Технологии аддитивного производства: 3D-печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство (2-е изд.). Спрингер.
- АСТМ Интернешнл. (2020). Стандартный метод испытаний акустических свойств жестких пористых материалов. АСТМ С423-20.
- Крут, Дж. П. и др. (2018). Акустическое поведение деталей из полимеров, полученных аддитивным способом: влияние параметров процесса и свойств материала. Аддитивное производство, 24, 387–395.
- Чжан Ю. и др. (2021). Характеристики демпфирования вибрации компонентов из нержавеющей стали, изготовленных методом SLM, для аэрокосмической техники. Журнал производственных процессов, 64, 1122–1130.
