Kuidas valida oma 3D-projektide jaoks sobivad tööstusliku kvaliteediga komposiitmaterjalid

Kui teie 3D-prinditud osad peavad olema tugevamad või vastupidavamad kui tavalised plastid, on aeg vaadata tööstusliku kvaliteediga komposiite. Nende täiustatud materjalide kasutamine võimaldab teil luua funktsionaalseid osi, mis on tugevad, kerged ja vastupidavad. Kõigile, kes töötavad inseneri- või tootekujunduse valdkonnas, on õige komposiidi valimine kriitilise tähtsusega samm. Valitud materjal mõjutab detaili toimivust, vastupidavust ja hinda. See juhend pakub lihtsat protsessi, mis aitab teil valida... parim materjal teie projekti konkreetsete vajaduste jaoks.

Mis on tööstuslikud 3D-printimise komposiidid?

3D-printimiseks mõeldud tööstuslikud komposiidid koosnevad kahest põhiosast: alusplastist ja tugevdavast kiust. Õige osa valimiseks on oluline mõista, mida iga osa teeb.

Aluspolümeer ja tugevduskiud

Aluspolümeer ehk maatriks on peamine plast, mis annab detailile selle põhikuju ja omadused, näiteks keemilise või kuumakindluse. Levinud valikute hulka kuuluvad igapäevased tehnilised plastid, näiteks nailon (PA) või PETG, samuti kõrgjõudlusega polümeere nagu PEEK, mis taluvad äärmuslikke temperatuure ja karme kemikaale.

Tugevduskiud annab komposiidile selle suure tugevuse. Need kiud segatakse aluspolümeeri, et oluliselt parandada mehaanilisi omadusi, nagu jäikus ja löögikindlus. Kolm kõige levinumat kiudu on süsinikkiud, klaaskiud ja Kevlar®.

Hakitud kiud vs. pidevad kiud

See, kuidas kiud plastikule lisatakse, mõjutab oluliselt lõpptoote jõudlust.

Tükeldatud kiud on lühikesed kiudribad, mis segatakse plastfilamenti enne trükkimist. Trükkimisel hajuvad need kiud üle materjali, muutes kogu detaili tugevamaks ja jäigemaks kui alusplast eraldi. Paljud standardsed 3D-printerid Neid filamente saab kasutada, kui neil on karastatud otsik, mis abrasiivse materjali tõttu ei kulu.

Pidevkiud on seevastu üksikud katkematud kiud, mis asetatakse detaili sisse spetsiaalse printeri abil teise otsikuga printimise ajal. See protsess võimaldab teil tugevust täpselt sinna paigutada, kuhu vaja, luues osi, mis võivad olla sama tugevad kui töödeldud alumiinium, kuid palju kergemad. See teebki metallosade asendamise 3D-prinditud komposiitidega võimalikuks.

Kuidas valida oma 3D-projektide jaoks materjali

Õige materjal ei ole alati kõige tugevam – see on see, mis vastab teie projekti vajadustele praktiliselt ja kulutõhusalt. Selge protsessi järgimine aitab teil vältida üleliia keeruka ja ebavajalikult kalli materjali valimist.

1. samm: määratlege nõuded

Esiteks tuleb määratleda, mida osa peab tegema ja milliste tingimustega see silmitsi seisab. See hõlmab selle mehaaniliste, termiliste ja keemiliste nõuete hindamist.

• Mehaanilised vajadusedSee on sageli komposiidi kasutamise peamine põhjus. Mõelge jõududele, millega detail peab toime tulema. Kas see vajab painutuskindluse tagamiseks suurt tugevust ja jäikust, näiteks tugiklamber või tootmisšabloon? Või vajab see kukkumiste või löökide korral vastupidavust ja löögikindlust, mis on robothaaratsite puhul tavaline? Liikuvate osade puhul on väsimus- ja kulumiskindlus üliolulised.
• SoojusvajadusedTöötemperatuur on kriitilise tähtsusega tegur. Materjali soojuspaindetemperatuur (HDT) näitab, millal see koormuse all pehmenema hakkab. See on oluline mootorite lähedal, sõidukites või kuumas tehasekeskkonnas kasutatavate osade puhul.
• Keemilised ja keskkonnaalased vajadusedMõelge detaili keskkonnale. Kas see puutub kokku õlide, jahutusvedelike või muude kemikaalidega? Välistingimustes kasutatavad detailid vajavad UV-kindlust, et vältida nende haprustumist.Niisketes tingimustes mõõtmete täpsuse säilitamiseks vajavad täppistööriistad vähest niiskuseimavust.

2. samm: seadke oma vajadused tähtsuse järjekorda

Kui teil on nõuete nimekiri olemas, otsustage, millised on „hädavajalikud“ ja millised „head, et oleks“. See on oluline, sest peaaegu alati peate leidma kompromisse. Näiteks süsinikkiud pakub küll suurt jäikust, kuid on Kevlar®-ist hapram. Kõrge temperatuuriga plastid, näiteks PEEK, on head, kuid maksavad oluliselt rohkem kui nailon. Vajaduste järjestamine aitab teil keskenduda kõige olulisemale ja leida tasakaalustatud ning taskukohase lahenduse.

Armatuurkiudude võrdlus

Kui teie rakenduse nõuded on selgelt määratletud ja tähtsuse järjekorda seatud, saate nüüd hinnata, milline tugevduskiud sobib teile kõige paremini. Igal kiul on erinevad eelised.

Süsinikkiud

Süsinikkiud on parim materjal asjade jaoks, mis peavad olema tugevad ja jäigad, kuid samas kerged. Seetõttu sobib see ideaalselt lennunduse ja robootika osade kergemaks muutmiseks või tööstuslike tööriistade valmistamiseks, mis võivad asendada raskemaid alumiiniumist osi. Kuna see on aga väga jäik, on see ka väga habras, seega ei sobi see olukordadesse, kus see võib saada tugevaid lööke. See on kõige kallim ja kõige kallim viis tugevdamiseks.

Klaaskiud

Klaaskiud on tugev ja vastupidav materjal, mida saab kasutada paljude asjade jaoks. See on ka väga odav. Kuna see ei juhi elektrit, kasutatakse seda sageli tööprototüüpide, elektroonikakorpuste ning üldotstarbeliste šabloonide ja kinnitusdetailide jaoks, mis peavad olema tugevamad kui ainult plastik. Süsinikkiud on tugevam, kuid see on kergem ja jäigem kui süsinikkiud.

Kevlar® (aramiidkiud)

Aramiidkiududest valmistatud Kevlar® on parim materjal pikaealisuse tagamiseks, kuna see on väga vastupidav ja ei kulu kergesti. See sobib suurepäraselt osade jaoks, mis peavad kaua vastu pidama ja kahjustuma, näiteks pehmed lõuad õrnade osade või karmilt kasutatavate montaažidetailide hoidmiseks. Seda võib olla raske lihvida või valmistada ning selle survetugevus ei ole nii kõrge kui klaaskiul või süsinikkiul.

Materjalivalikust kaugemale: praktilised edutegurid

Õige materjali valimine on vaid üks osa võrrandist. Teie printeri võimalused, detaili disain ja eelarve on edu saavutamiseks sama olulised.

3D-printeri nõuded

Mitte kõik 3D-printerid ei suuda neid materjale töödelda. Nagu varem mainitud, on hakitud kiud abrasiivsed ja vajavad karastatud terasest otsik Kahjustuste vältimiseks. Kõrge temperatuuriga plastide, näiteks PEEK-i, edukaks printimiseks on vaja printerit, millel on kuumutatud kambriga kujundus. Ja kui soovite saavutada pidevkiudude suurepärast tugevust, millest me rääkisime, peate kasutama spetsiaalselt selle tehnoloogiaga varustatud printerit.

Lisandite tootmise disain (DfAM)

Komposiitmaterjalist maksimumi saamiseks peate detaili spetsiaalselt selle jaoks disainima. Te ei saa lihtsalt metallile mõeldud disaini printida ja oodata, et see hästi töötab. Varem kindlaks tehtud tugevusnõuete täitmiseks tuleb disaini optimeerida. Pidevkiudude puhul tähendab see kiudude suunamist piki teid, kus pinge on suurim. Samuti saate kasutada topoloogia optimeerimise tarkvara, et luua disainilahendusi, mis kasutavad materjali ainult seal, kus seda vaja on, maksimeerides tugevuse ja kaalu suhet.

Eelarve ja tootmismaht

Lõpuks arvestage kogukuluga. See hõlmab mitte ainult toote hinda materjalipool, aga ka printimisaega ja printeri kulumist. Enne kallima ja parema jõudlusega variandi valimist hinnake alati, kas odavam komposiitmaterjal vastab kõigile teie „hädavajalikele“ nõuetele.

Liikuge oma 3D-projektidega edasi ja koostage selge plaan!

Tee suurepärase komposiitdetaili loomiseni on teadlike sammude protsess. See algab selgest arusaamast sellest, mida teie projekt vajab. Oma vajaduste esmalt määratledes saate tõhusalt võrrelda selliste materjalide nagu süsinikkiud, klaaskiud ja Kevlar® erinevaid eeliseid. Kui arvestate ka oma printeri, disainistrateegia ja eelarvega, muudate oletuse usaldusväärseks inseneriotsuseks. See praktiline lähenemine tagab, et teie loodud detail on usaldusväärne, tõhus ja sobib teie projektiga.