Если вы когда-либо держали в руках напечатанную на 3D-принтере деталь, которая легко сломалась, когда вы пытались ее скрутить, или компонент, который казался достаточно прочным, чтобы выдержать многократное использование, вы уже знаете, что не все прочности, напечатанные на 3D-принтере, одинаковы. Как поставщик деталей моделей для 3D-печати, я потратил годы на устранение этих точных различий для клиентов — от небольших стартапов в области робототехники, нуждающихся в прочных корпусах, до групп по производству медицинского оборудования, которым требуются точные и прочные прототипы. Правда в том, что прочность детали, напечатанной на 3D-принтере, не случайна; он формируется в результате сочетания выбора материала, настроек технологии печати, дизайнерских решений и этапов постобработки. Давайте разберем каждый из этих факторов, поделимся реальными уроками, которые я извлек на работе, и свяжем их с типами деталей, которые мы производим каждый день.
Прежде всего, выбранный вами материал является основополагающим фактором прочности детали. Я не могу вам сказать, сколько раз клиент приходил к нам с просьбой о специальном корпусе для роботизированной руки для гуманоидных и ловких роботов [ссылка], который должен захватывать тяжелые предметы, но выбирал недорогую смолу, потому что она печатает быстрее - только для того, чтобы корпус треснул после недели испытаний. Смолы отлично подходят для мелких деталей, но большинство стандартных фотополимерных смол хрупкие, особенно по сравнению с термопластами, используемыми при порошковой печати. Что касается несущих деталей, я всегда указываю клиентам данные о прочности конкретного материала, а не только качество поверхности. Например, если вы печатаете деталь, которая требует высокой прочности на разрыв или ударопрочности, вы получите разные результаты от PLA (обычного термопластика), от нейлона и от металла. Нейлон, обработанный методом селективного лазерного спекания (SLS), становится гибким и ударопрочным, что делает его идеальным для корпусов роботов, а детали моделей из нержавеющей стали, напечатанные с помощью SLM 3D [ссылка], обеспечивают исключительную прочность на разрыв для компонентов промышленного оборудования. Даже среди смол смолы инженерного класса (такие как Tough Resin или High-Impact Resin) обладают гораздо большей прочностью, чем стандартные прозрачные смолы — мы видели, как клиенты переходили со стандартной смолы на техническую смолу в аналогичных конструкциях и удваивали долговечность детали без корректировки настройки печати. Также стоит отметить, что в разных технологиях печати используются разные материалы: детали для 3D-печати смолой [ссылка] основаны на жидких фотополимерах, в то время как SLS использует термопластические порошки, а SLM использует металлические порошки, поэтому соответствие материала конечному использованию детали не подлежит обсуждению. Ошибка, которую я часто вижу, заключается в том, что клиенты выбирают материал исключительно на основе стоимости или времени печати, а не его внутренних механических свойств — мы всегда сначала просматриваем варианты использования, чтобы сузить выбор материала, прежде чем даже прикасаемся к принтеру.
Далее, технология 3D-печати и параметры процесса играют огромную роль в преобразовании прочности материала в конечную деталь. Начнем с высоты слоя, одной из самых важных настроек. Более низкая высота слоев (более тонкие слои) обычно приводит к получению более прочной детали, поскольку между соседними слоями больше связей, но их печать занимает больше времени. В прошлом месяце у меня был клиент, который печатал функциональный кронштейн для роботизированной руки: сначала он использовал слои толщиной 0,2 мм, чтобы сэкономить время, но кронштейн ломался по линиям слоев при подъеме с грузом в 5 кг. Когда мы перешли на слои толщиной 0,1 мм, межслоевая адгезия детали улучшилась настолько, что она без проблем выдержала 8 кг. Но высота слоя — не единственный параметр. Например, для службы SLS-печати [ссылка] важна мощность лазера, используемая для плавления частиц порошка: слишком низкая, и частицы не соединяются полностью, создавая зазоры, которые ослабляют деталь; слишком высока, и вы рискуете испортить материал, что также снижает прочность. При печати смолой время выдержки и температура отверждения (как во время печати, так и после отверждения) влияют на сшивку между молекулами смолы: недостаточное отверждение приводит к образованию мягких и слабых деталей, а чрезмерное отверждение может сделать смолу хрупкой. Еще одним ключевым фактором является плотность и рисунок заполнения, которые мы подстраиваем практически под каждого клиента. Заполнение — это внутренняя структура детали, и деталь со 100% заполнением будет намного прочнее, чем деталь с заполнением 20%, но она также тяжелее и дороже. Для несущих деталей мы обычно рекомендуем заполнение на 50–70 % треугольным или шестиугольным узором, который распределяет нагрузку равномерно лучше, чем линейный или сетчатый узор. Мы протестировали это на специальном компоненте роботизированной руки: треугольное наполнение обеспечивало на 30 % лучшую ударопрочность, чем сетчатое наполнение при той же плотности, и клиенту не приходилось платить за дополнительный материал. Ориентация детали на печатной платформе также имеет решающее значение: детали, напечатанные слоями, параллельными нагрузке, почти всегда будут слабее, чем детали, напечатанные слоями, перпендикулярными нагрузке, поскольку связь между слоями слабее, чем связь внутри слоя. Я не могу сказать вам, сколько раз мы переориентировали часть клиента, чтобы решить проблему с прочностью, без каких-либо существенных изменений. Например, крепление, напечатанное в горизонтальном положении (слои параллельны силе натяжения), защелкнется при усилии 100 Н; когда мы повернули его на 90 градусов, чтобы слои столкнулись с силой тяги, он выдержал 250 Н. Это простое решение, которое имеет огромное значение.
Кроме того, есть факторы, специфичные для дизайна, которые часто упускают из виду начинающие пользователи 3D-печати. Самый большой из них – это геометрия детали, особенно концентрация напряжений. Острые углы, тонкие стенки и подрезы создают точки, в которых накапливается напряжение, приводящее к трещинам или разрывам. Например, деталь с прямым углом в 90 градусов будет иметь гораздо меньшую прочность, чем та же деталь со скругленным (скругленным) углом, поскольку закругленный угол распределяет напряжение более равномерно. Мы всегда добавляем галтели толщиной не менее 1 мм к любой детали, которая будет испытывать нагрузку, и предупреждаем клиентов о тонких стенках: если толщина стены менее 1,5 мм, она будет гораздо более склонна к изгибу или разрушению, особенно если она сделана из хрупкого материала. Еще одним конструктивным фактором является толщина стенок: ключевым фактором является равномерная толщина стенок, поскольку разная толщина приводит к неравномерному охлаждению во время печати, что создает внутренние напряжения. Если одна область детали в два раза толще другой, более толстая область будет остывать медленнее, что приведет к короблению или образованию зазоров, которые ослабят деталь. Нам пришлось перепроектировать многие нестандартные детали для клиентов, которые предоставили проекты с неровными стенками — небольшие изменения, которые делают деталь более пригодной для печати и более прочной. Для металлических деталей, таких как металлические детали SLA из алюминия и нержавеющей стали [ссылка] для 3D-печати, мы также должны учитывать опорные конструкции: если опоры расположены неправильно, они могут оставить шероховатую поверхность или повредить деталь при снятии, создавая слабые места. Мы проектируем размещение опор специально для несущих металлических деталей, выбирая такие типы опор, которые минимизируют удаление материала после печати, поэтому конечная деталь имеет такую же прочность, как и основной материал.
Постобработка — это последний шаг, который может повысить или снизить прочность детали, и его часто недооценивают. Для деталей из смолы постотверждение имеет важное значение: даже если настройки отверждения принтера идеальны, деталь нуждается в дополнительном УФ-облучении после печати, чтобы полностью сшить смолу. Мы протестировали детали, которые не подвергались пост-отверждению: они были прочными сразу после печати, но через неделю использования становились мягкими и хрупкими. Для деталей SLS удаление порошка и дробеструйная очистка могут улучшить качество поверхности, но чрезмерное натирание может разрушить тонкие стенки и снизить прочность. Мы балансируем гладкость поверхности со структурной целостностью, регулируя давление и время дробеструйной обработки для каждой детали. Для металлических деталей обычно используются такие этапы постобработки, как термообработка, позволяющие снять внутреннее напряжение в процессе печати. Например, детали из нержавеющей стали, напечатанные методом SLM, испытывают небольшие внутренние напряжения в результате процесса лазерной плавки, которые, если их не снять, могут вызвать деформацию или растрескивание. Термическая обработка после печати снижает эти напряжения, повышая в некоторых случаях прочность детали до 20%. Мы также предлагаем варианты отделки, такие как покрытие или механическая обработка, но мы всегда предупреждаем клиентов, что нанесение слишком толстого покрытия может увеличить нагрузку или создать неровности, если его нанести неправильно.
Позвольте мне связать все это с реальным примером из нашей работы в прошлом квартале. Фирма, занимающаяся разработкой робототехники, обратилась за помощью в специальном корпусе для роботизированной руки для гуманоидных и ловких роботов [ссылка], который мог бы выдерживать ежедневное использование в лабораторных испытаниях, включая захват предметов весом до 2 кг. Первоначальный дизайн, который они представили, был изготовлен из стандартной смолы, напечатан слоем 0,2 мм с 20%-ным заполнением сетки и имел острые углы. Когда мы тестировали прототип, он сломался после первого же захвата. Мы вместе рассмотрели факторы: во-первых, мы заменили материал на Tough Resin инженерного класса (детали для 3D-печати из смолы [ссылка]), прочность на разрыв которой в 2 раза выше, чем у стандартной смолы. Затем мы скорректировали высоту слоя до 0,1 мм, чтобы улучшить адгезию между слоями, изменили заполнение на 60% треугольный рисунок, добавили скругления по 2 мм ко всем углам и переориентировали деталь на печатной платформе так, чтобы слои сталкивались с силой натяжения роботизированного захвата. Мы также добавили 24-часовой этап пост-отверждения, чтобы обеспечить полное сшивание смолы. Последняя часть выдержала 5 кг, не сломавшись, и с тех пор клиент заказал еще 50 единиц для своей лаборатории. Этот проект убедил меня в том, что прочность зависит не от одного фактора, а от сочетания правильного материала, параметров процесса, конструкции и последующей обработки для удовлетворения конкретных потребностей детали.
Наша задача как поставщика — не просто печатать то, что просят клиенты, а информировать их о том, как эти факторы влияют на их конечную часть. Независимо от того, печатаете ли вы небольшой прототип, функциональный промышленный компонент или специальную роботизированную деталь, время, потраченное на то, чтобы правильно определить каждый из этих факторов, будет означать разницу между работающей деталью и той, которая выходит из строя, когда это важно. Если вы работаете над проектом и хотите, чтобы ваши детали, напечатанные на 3D-принтере, были достаточно прочными для использования по назначению, мы здесь, чтобы помочь вам пройти каждый шаг — от выбора материала до окончательной отделки. Свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши требования и получить ценовое предложение, адаптированное к вашему проекту.
Ссылки
- Гибсон И., Розен Д.В. и Стакер Б. (2015). Технологии аддитивного производства: 3D-печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство. Спрингер.
- АСТМ Интернешнл. (2020). Стандартный метод испытания свойств пластмасс на растяжение (ASTM D638).
- Багчи А. и Гучери С.И. (1994). Механические свойства деталей стереолитографии. Журнал быстрого прототипирования, 1 (1), 16–23.
- Вонг, К.В., и Эрнандес, А. (2012). Обзор аддитивного производства. ISRN Машиностроение, 2012, 1-10.
