Как да изберете правилните композитни материали от индустриален клас за вашите 3D проекти

Ако вашите 3D-принтирани части трябва да бъдат по-здрави или по-издръжливи от това, което могат да предложат стандартните пластмаси, е време да разгледате композити от индустриален клас. Използването на тези усъвършенствани материали ви позволява да създавате функционални части, които са здрави, леки и издръжливи. За всеки, който работи в областта на инженерството или продуктовия дизайн, изборът на правилния композит е критична стъпка. Избраният от вас материал влияе върху това колко добре ще се представя частта, колко дълго ще издържи и колко ще струва. Това ръководство предлага лесен процес, който ще ви помогне да изберете... най-добър материал за специфичните нужди на вашия проект.

Какво представляват композитите за индустриален 3D печат?

Индустриалните композити за 3D печат са изработени от две основни части: основна пластмаса и укрепващо влакно. Разбирането на функцията на всяка част е ключово за избора на правилната.

Основен полимер и армировъчни влакна

Основният полимер, или матрицата, е основната пластмаса, която придава на детайла основната му форма и свойства, като химическа или топлоустойчивост. Често срещан избор включва ежедневни инженерни пластмаси като найлон (PA) или ПЕТГ, както и високоефективни полимери като PEEK, които могат да издържат на екстремни температури и агресивни химикали.

Армировъчните влакна са това, което придава на композита високата му здравина. Тези влакна се смесват с основния полимер, за да подобрят драстично механичните свойства, като твърдост и устойчивост на удар. Трите най-често срещани влакна са въглеродни влакна, фибростъкло и... Кевлар®.

Нарязани влакна срещу непрекъснати влакна

Начинът, по който влакната се добавят към пластмасата, оказва огромно влияние върху производителността на крайната част.

Нарязаните влакна са къси нишки от влакна, смесени с пластмасовата нишка преди печат. Докато детайлът се печата, тези влакна се разпръскват по материала, което прави целия детайл по-здрав и твърд от самата основна пластмаса. Много стандартни... 3D принтери Можете да използвате тези нишки, стига да имат закалена дюза, която не се износва от абразивния материал.

Непрекъснатите влакна, от друга страна, са единични, непрекъснати нишки, които се полагат вътре в детайла по време на процеса на печат от специализиран принтер с втора дюза. Този процес ви позволява да поставите здравината точно там, където е необходима, създавайки части, които могат да бъдат толкова здрави, колкото обработения алуминий, но много по-леки. Това е, което прави възможна замяната на металните части с 3D-принтирани композити.

Как да изберете материал за вашите 3D проекти

Подходящият материал не винаги е най-здравият – той е този, който отговаря на нуждите на вашия проект по практичен и рентабилен начин. Следването на ясен процес ви помага да избегнете избора на материал, който е прекалено сложна конструкция и ненужно скъп.

Стъпка 1: Дефиниране на изискванията

Първо, определете какво трябва да прави детайлът и условията, на които ще бъде изправен. Това включва оценка на неговите механични, термични и химични изисквания.

• Механични нуждиТова често е основната причина за използването на композитен материал. Вземете предвид силите, които детайлът трябва да поеме. Необходима ли е висока якост и твърдост, за да устои на огъване, като например опорна скоба или производствено приспособление? Или е необходима здравина и устойчивост на удар, за да издържи на падания или удари, което е често срещано при роботизираните захващащи елементи? За движещите се части умората и износоустойчивостта са от решаващо значение.
• Термични нуждиРаботната температура е критичен фактор. Температурата на топлинно отклонение (HDT) на материала показва кога той ще започне да омеква под натоварване. Това е жизненоважно за части, използвани в близост до двигатели, в превозни средства или в гореща фабрична среда.
• Химически и екологични нуждиВземете предвид околната среда на детайла. Ще бъде ли изложен на масла, охлаждащи течности или други химикали? Частите за външна употреба се нуждаят от UV стабилност, за да се предотврати крехкостта им.Прецизните инструменти се нуждаят от ниско ниво на абсорбция на влага, за да поддържат точност на размерите във влажни условия.

Стъпка 2: Приоритизирайте нуждите си

След като имате списък с изисквания, решете кои са „задължителни“ и кои са „желани“. Това е важно, защото почти винаги ще трябва да балансирате компромисите. Например, въглеродните влакна предлагат висока твърдост, но са по-крехки от Kevlar®. Високотемпературните пластмаси като PEEK се представят добре, но струват значително повече от найлона. Класирането на вашите нужди ви помага да се съсредоточите върху най-важното и да намерите балансирано и достъпно решение.

Сравнение на армировъчни влакна

След като изискванията на вашето приложение са ясно дефинирани и приоритизирани, вече можете да прецените кое армировъчно влакно е подходящо за вас. Всяко от тях предлага различен набор от предимства.

Въглеродни влакна

Въглеродните влакна са най-добрият материал за неща, които трябва да бъдат здрави и твърди, като същевременно са леки. Поради това те са идеални за изработка на по-леки части за аерокосмическата и роботичната индустрия или за изработка на промишлени инструменти, които могат да заменят по-тежки части, изработени от алуминий. Но тъй като са много твърди, те са и много крехки, така че не са подходящи за ситуации, в които могат да бъдат силно ударени. Те струват най-много и са най-скъпият начин за укрепване.

Фибростъкло

Фибростъклото е здрав, дълготраен материал, който може да се използва за много неща. Освен това е много евтин. Тъй като не провежда електричество, често се използва за работни прототипи, корпуси за електроника и универсални приспособления и фиксиращи елементи, които трябва да бъдат по-здрави от самата пластмаса. Въглеродни влакна е по-здрав, но е по-лек и по-твърд от въглеродните влакна.

Кевлар® (арамидно влакно)

Kevlar®, който е изработен от арамидни влакна, е най-добрият материал за дълготрайност, защото е много здрав и не се износва лесно. Той е чудесен за части, които трябва да издържат дълго време и да не се повредят, като меки челюсти за задържане на деликатни части или монтажни елементи, които се използват грубо. Може да е трудно да се шлайфа или изработва, а якостта му на натиск не е толкова висока, колкото тази на фибростъклото или въглеродните влакна.

Отвъд избора на материали: Практически фактори за успех

Избор на правилния материал е само една част от уравнението. Възможностите на вашия принтер, дизайнът на вашата част и вашият бюджет са също толкова важни за успеха.

Изисквания за 3D принтер

Не всички 3D принтери могат да работят с тези материали. Както бе споменато по-рано, нарязаните влакна са абразивни и изискват... дюза от закалена стомана за да се избегнат повреди. Високотемпературните пластмаси като PEEK се нуждаят от принтер с нагрята камера за печат, за да печатат успешно. И ако искате превъзходната здравина на непрекъснатите влакна, които обсъдихме, трябва да използвате принтер, специално оборудван с тази технология.

Дизайн за адитивно производство (DfAM)

За да извлечете максимума от композитен материал, трябва да проектирате детайла специално за него. Не можете просто да отпечатате дизайн, предназначен за метал, и да очаквате той да работи добре. За да отговаря на изискванията за якост, които определихте по-рано, дизайнът трябва да бъде оптимизиран. При непрекъснатите влакна това означава ориентиране на влакната по пътищата, където напрежението е най-високо. Можете също да използвате софтуер за оптимизация на топологията, за да създадете дизайни, които използват материал само там, където е необходим, като по този начин максимизирате съотношението якост-тегло.

Бюджет и обем на производството

Накрая, помислете за общата цена. Това включва не само цената на макара за материал, но също така времето за печат и евентуалното износване на принтера. Винаги преценявайте дали по-евтиният композитен материал може да отговори на всички ваши „задължителни“ изисквания, преди да изберете по-скъп и по-производителен вариант.

Продължете напред с вашите 3D проекти и ясен план!

Пътят към страхотна композитна част е процес на обмислени стъпки. Той започва с ясно разбиране на това, което вашият проект изисква. Като първо дефинирате вашите нужди, можете ефективно да сравните различните предимства на материали като въглеродни влакна, фибростъкло и Kevlar®. Когато вземете предвид и вашия принтер, дизайнерска стратегия и бюджет, вие превръщате предположението в разумно инженерно решение. Този практичен подход гарантира, че създадената от вас част е надеждна, ефективна и има смисъл за вашия проект.