Если вы когда-либо держали деталь, напечатанную на 3D-принтере из нейлона SLS, свежей со сборочной платформы, вы знаете, что базовый продукт имеет необработанную текстурированную поверхность, рассыпчатый порошок, прилипающий к каждой щели, и острые края, которые могут зацепиться за ткань или поцарапать кожу. Как поставщик деталей для 3D-печати из нейлона SLS, я провел последние пять лет, совершенствуя рабочие процессы постобработки, которые превращают эти неполированные детали в функциональные, высокопроизводительные детали для различных отраслей промышленности, от робототехники до медицинских устройств. Правильная постобработка не только улучшает эстетику — она усиливает присущую нейлону прочность, гибкость и долговечность, создавая разницу между работающим прототипом и конечной деталью, которая выдерживает долгие годы износа. В этом посте я расскажу о самых надежных, проверенных в отрасли методах постобработки деталей из нейлона SLS, поделюсь реальными примерами того, как мы применяем эти методы, и обрисую, как выбрать правильный рабочий процесс для вашего конкретного проекта.
Во-первых, важно объяснить, что делает детали из нейлона SLS уникальными. При селективном лазерном спекании (SLS) нейлоновый порошок слой за слоем сплавляется с помощью мощного лазера, поэтому детали создаются внутри слоя неспеченного порошка, который действует как естественные опорные структуры. Это означает, что нет необходимости в дополнительном вспомогательном материале во время печати, что является огромным преимуществом для изделий сложной геометрии — например, единственные в своем роде внутренние каналы в специальном корпусе для роботов-гуманоидов и ловких роботов, который мы произвели в прошлом квартале. Даже несмотря на это преимущество, постобработка не подлежит обсуждению и позволяет раскрыть весь потенциал детали. Процесс начинается с обеспыливания — основополагающего этапа, который большинство поставщиков понимают правильно, но который может решить или испортить последующую работу.
Очистка от порошка — это первый важный шаг, и здесь не существует универсального подхода. Для небольших, сложных деталей с узкими внутренними полостями (например, шестерен или электрических разъемов) мы используем очистку сжатым воздухом с помощью системы сухого воздуха низкого давления. Воздух под высоким давлением может повредить тонкие стенки нейлона SLS, которые становятся пористыми сразу после печати, поэтому мы регулируем давление воздуха до 20–30 фунтов на квадратный дюйм и направляем его через специально изготовленные сопла, которые проникают в скрытые щели. Для более крупных деталей или партий компонентов среднего размера центробежный барабан для обеспыливания работает еще лучше. Мы загружаем детали и многоразовые нейлоновые материалы во вращающийся барабан, где трение в результате переворачивания выбивает рыхлый порошок, не царапая поверхности детали. Для очень сложных сборок, таких как детали моделей, напечатанных на 3D-принтере, предназначенных для архитектурного прототипирования, мы комбинируем очистку воздухом с ручной чисткой с использованием жестких нейлоновых щеток, чтобы удалить порошок из крошечных зазоров, до которых не могут добраться массажеры. Цель здесь не просто косметическая: захваченный порошок может привести к заклиниванию деталей во время сборки или даже к истиранию сопрягаемых поверхностей, поэтому этот этап занимает столько времени, сколько необходимо, чтобы обеспечить чистоту каждой полости.
После того, как деталь полностью обеспылена, следующим шагом является финишная обработка поверхности, именно здесь происходит наибольшее улучшение внешнего вида и производительности. Естественная пористая текстура нейлона (побочный продукт процесса спекания SLS) может быть недостатком для деталей, которым необходимо противостоять влаге, химикатам или иметь гладкую промышленную поверхность. Наиболее распространенным методом отделки поверхности деталей из нейлона SLS является сглаживание паром, и это изменило правила игры для наших клиентов. Сглаживание паром происходит путем воздействия на нейлоновую деталь парами растворителя, такого как дихлорметан или этанол, которые слегка плавят внешний слой нейлона, заполняя поверхностные поры и плавя линии слоев, характерные для SLS-печати. Мы контролируем время выдержки и температуру, чтобы избежать чрезмерного сглаживания — чрезмерная обработка может привести к потере деталей поверхности или даже к деформации деталей, особенно для тонкостенных компонентов. Например, когда мы производили партию медицинских корпусов, которые должны были быть полностью герметизированы и легко дезинфицировались, мы использовали 10-минутный цикл сглаживания паром, который снизил шероховатость поверхности с Ra 12 (сырой SLS) до Ra 2, создав гладкую, непористую поверхность, прошедшую тестирование на биосовместимость по стандарту ISO 10993. Говоря о медицинских деталях, этот метод также широко используется для 3D-печати SLA для медицинских деталей, требующих высокого уровня чистоты и консистенции, хотя смесь растворителей немного корректируется для разных типов пластика.
Для клиентов, которым нужна матовая, слегка текстурированная поверхность вместо глянцевой, лучшей альтернативой является механическая полировка. На нашем предприятии мы используем два основных метода механической полировки. Сначала вибрационная полировка, при которой детали загружаются в ванну с керамическим материалом и мягким полировальным составом и подвергаются вибрации на высокой скорости в течение 4-8 часов. Это отлично подходит для партий небольших одинаковых деталей, таких как крепеж или прокладки, поскольку создает однородную отделку, не требуя ручного труда. Для более крупных, одноразовых деталей, таких как специальные компоненты роботизированной руки, мы используем ручную полировку с помощью ватных кругов и полировальной пасты на основе нейлона. Ручная полировка позволяет нам воздействовать на определенные области — например, на острые края шестерни, которые могут быть слишком гладкими для некоторых применений, или на плоскую монтажную поверхность, которая должна быть идеально ровной, — оставляя при этом другие области с тонкой нескользящей текстурой. Обратной стороной механической полировки является то, что при ней можно удалить небольшое количество материала, поэтому мы соответствующим образом корректируем допуски печати для деталей, которым необходимо сохранять точные размеры.
Еще один этап постобработки, который часто упускают из виду, — это отжиг, который улучшает механические свойства нейлона за счет уменьшения внутреннего напряжения, возникающего во время SLS-печати. Детали SLS быстро остывают после спекания, в результате чего возникают незначительные внутренние напряжения, которые со временем могут вызвать деформацию, растрескивание или нестабильную работу, особенно для деталей, которые подвергаются воздействию высоких температур или повторяющихся нагрузок. Отжиг заключается в нагревании детали до температуры чуть ниже точки плавления нейлона (около 170°C для стандарта PA12, наиболее распространенного нейлона SLS) и выдерживании ее там в течение 2–4 часов, а затем медленном охлаждении в печи с контролируемой температурой. Мы протестировали это на деталях промышленного оборудования, и отжиг увеличил прочность наших деталей из нейлона SLS на растяжение до 15 %, что позволило им выдерживать более высокие нагрузки без разрушения. Например, клиенту, которому требовался корпус для высоконагруженного роботизированного привода, изначально были детали, которые треснули после 10 000 циклов нагрузки; после отжига те же самые детали выдержали 50 000 циклов без повреждений. Отжиг также имеет решающее значение для деталей, которые будут использоваться на открытом воздухе, поскольку он делает материал более устойчивым к колебаниям температуры и воздействию ультрафиолета.
Для деталей, которым требуется повышенная долговечность, стойкость к химикатам или цветная отделка, на последнем этапе мы наносим покрытие и окраску. Нейлон — полукристаллический полимер, поэтому он плохо прилипает к стандартным краскам или покрытиям без подготовки поверхности. Перед нанесением покрытия мы всегда шлифуем и очищаем детали изопропиловым спиртом, чтобы удалить оставшиеся загрязнения, которые могут препятствовать прилипанию. Наиболее распространенными покрытиями, которые мы используем, являются порошковые покрытия, которые наносятся электростатически и отверждаются в печи. Порошковые покрытия создают толстое и прочное покрытие, устойчивое к царапинам, химикатам и влаге, что идеально подходит для наружных деталей или корпусов промышленного оборудования. Для клиентов, которым требуется более легкое и гибкое покрытие, мы используем прозрачные или цветные полиуретановые покрытия, которые создают тонкий слой защиты, не уменьшая при этом характерную гибкость нейлона. Мы также экспериментировали с деталями из цветного нейлона SLS, добавляя пигмент в порошок во время печати, но нанесение покрытия дает клиентам больше контроля над точным соответствием цветов, а также возможность добавлять в покрытие ингибиторы УФ-излучения для наружного применения.
Теперь давайте поговорим о том, как выбрать правильный метод постобработки для вашего конкретного проекта, потому что один размер определенно не подойдет всем. Если вы создаете прототип, который просто должен хорошо выглядеть для выставки, сглаживание паром или вибрационная полировка дадут вам готовую к показу в выставочном зале отделку за несколько часов. Если вы создаете деталь конечного использования, которая должна выдерживать большие нагрузки, отжиг не подлежит обсуждению, и вам нужно сочетать его с механической полировкой или порошковым покрытием для обеспечения долговечности. Для медицинских деталей очистка от порошка особенно важна, и мы часто добавляем этап вторичной ультразвуковой очистки в дистиллированной воде, чтобы гарантировать, что во внутренних полостях не останется остаточного порошка.
Также стоит отметить, что постобработка увеличивает время выполнения проекта, поэтому при планировании графика проекта вам следует заложить на эти этапы 1–3 дополнительных дня, в зависимости от сложности детали. Печать необработанных деталей SLS занимает около 1-2 дней, но постобработка может добавить еще 1-5 дней, в зависимости от метода. Мы всегда четко сообщаем эти сроки клиентам заранее, поэтому не возникает сюрпризов.
Как поставщик, мы также поняли, что ключевым моментом является прислушиваться к конкретным потребностям наших клиентов. Несколько лет назад к нам обратился стартап с индивидуальным корпусом роботизированной руки для гуманоидных и ловких роботов со сложной геометрией, включающей 12 крошечных внутренних каналов и гладкую внешнюю оболочку. Им нужно было, чтобы деталь была достаточно прочной, чтобы захватывать предметы, не ломаясь, но достаточно легкой, чтобы удерживать вес робота на низком уровне, а также им нужно было, чтобы внутренние каналы были полностью свободны от порошка, чтобы через них мог проходить воздух для интеграции датчиков. Мы использовали комбинацию центробежного обеспыливания, чтобы получить большую часть порошка, затем обдувку сжатым воздухом с помощью тонкого сопла для очистки внутренних каналов, затем отжиг для уменьшения внутреннего напряжения и, наконец, тонкое полиуретановое покрытие для герметизации поверхности. Деталь отлично подошла для их первого прототипа, и с тех пор они заказали еще 50 единиц.
Конечно, на нашем предприятии мы не просто производим нейлоновые детали. Мы работаем с широким спектром материалов, включая АБС-пластик для быстрых прототипов, когда ударопрочность является главным приоритетом, как вы можете увидеть по этой ссылке на услугу 3D-печати АБС-пластик Rapid Prototype. Для металлических деталей мы предлагаем высококачественную 3D-печать металлических деталей SLA из алюминия и нержавеющей стали для промышленного применения, а для медицинских устройств у нас есть многолетний опыт 3D-печати SLA для медицинских деталей, которые соответствуют строгим нормативным стандартам. Все наши детали, независимо от материала, проходят тщательную постобработку, чтобы гарантировать точное соответствие спецификациям наших клиентов.
Если вы работаете над проектом, в котором используются детали из нейлона SLS, правильный рабочий процесс постобработки может превратить хорошую деталь в отличную. На нашем предприятии мы не просто следуем типовым этапам постобработки — мы адаптируем каждый рабочий процесс к потребностям клиента, проверяя образцы, корректируя сроки и проверяя качество на каждом этапе, чтобы убедиться, что конечная часть — именно то, что им нужно. Независимо от того, создаете ли вы прототип, индивидуальный роботизированный компонент или медицинское устройство, у нас есть опыт, который проведет вас через весь процесс, от проектирования до финальной части.
Если у вас есть вопросы о постобработке деталей из нейлона SLS или вы хотите запросить расценки на свой следующий проект, мы будем рады помочь вам разработать рабочий процесс, соответствующий вашим потребностям. Свяжитесь с нашей командой сегодня, чтобы начать разговор.
Ссылки:
- Гибсон И., Розен Д.В. и Стакер Б. (2015). Технологии аддитивного производства: 3D-печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство. Спрингер.
- Ан, Д. (2015). «Очистка и чистовая обработка деталей, спеченных селективным лазером». Журнал производственных процессов, том. 20, стр. 492–500.
- ISO 10993-5:2009 Биологическая оценка медицинских изделий. Часть 5. Испытания на цитотоксичность in vitro.
- Дин Дж. и др. (2020). «Влияние отжига на механические свойства деталей из нейлона 12, изготовленных методом селективного лазерного спекания». Материалы и дизайн, том. 192, с. 108765.
