Kuinka valita oikea teollisuusluokan komposiittimateriaalit 3D-projekteihisi

Jos 3D-tulostettujen osiesi on oltava vahvempia tai kestävämpiä kuin mitä tavalliset muovit pystyvät tarjoamaan, on aika tarkastella teollisuusluokan komposiitteja. Näiden edistyneiden materiaalien avulla voit luoda toimivia osia, jotka ovat vahvoja, kevyitä ja kestäviä. Jokaiselle tekniikan tai tuotesuunnittelun parissa työskentelevälle oikean komposiitin valitseminen on ratkaiseva vaihe. Valitsemasi materiaali vaikuttaa osan suorituskykyyn, kestävyyteen ja hintaan. Tämä opas tarjoaa yksinkertaisen prosessin, joka auttaa sinua valitsemaan... paras materiaali projektisi erityistarpeisiin.

Mitä ovat teolliset 3D-tulostuskomposiitit?

3D-tulostukseen tarkoitetut teolliset komposiitit valmistetaan kahdesta pääosasta: perusmuovista ja vahvistavasta kuidusta. Oikean osan valinnassa on tärkeää ymmärtää, mitä kukin osa tekee.

Peruspolymeeri ja vahvistuskuitu

Peruspolymeeri eli matriisi on tärkein muovi, joka antaa osalle sen perusmuodon ja ominaisuudet, kuten kemikaalien- tai lämmönkestävyyden. Yleisiä valintoja ovat arkipäivän tekniset muovit, kuten nailon (PA) tai PETGsekä korkean suorituskyvyn polymeerejä, kuten PEEK, jotka kestävät äärimmäisiä lämpötiloja ja kovia kemikaaleja.

Lujitekuitu antaa komposiitille sen suuren lujuuden. Nämä kuidut sekoitetaan peruspolymeeriin mekaanisten ominaisuuksien, kuten jäykkyyden ja iskunkestävyyden, parantamiseksi merkittävästi. Kolme yleisintä kuitua ovat hiilikuitu, lasikuitu ja Kevlar®.

Silputut kuidut vs. jatkuvat kuidut

Kuitujen lisäämistavalla muoviin on valtava merkitys lopullisen osan suorituskyvylle.

Silputut kuidut ovat lyhyitä kuitusäikeitä, jotka sekoitetaan muovifilamenttiin ennen painatusta. Kun osaa painetaan, nämä kuidut leviävät materiaaliin, mikä tekee koko osasta vahvemman ja jäykemmän kuin pelkkä perusmuovi. Monet standardit 3D-tulostimet voi käyttää näitä filamentteja, kunhan niissä on karkaistu suutin, joka ei kulu hioma-aineesta.

Jatkuvat kuidut taas ovat yksittäisiä, katkeamattomia säikeitä, jotka asetetaan osan sisään tulostusprosessin aikana erikoistulostimella, jossa on toinen suutin. Tämän prosessin avulla voit sijoittaa lujuuden juuri sinne, missä sitä tarvitaan, jolloin syntyy osia, jotka voivat olla yhtä vahvoja kuin koneistettu alumiini, mutta paljon kevyempiä. Tämä mahdollistaa metalliosien korvaamisen 3D-tulostetuilla komposiiteilla.

Kuinka valita materiaali 3D-projekteihisi

Oikea materiaali ei ole aina vahvin – se on se, joka vastaa projektisi tarpeita käytännöllisellä ja kustannustehokkaalla tavalla. Selkeän prosessin noudattaminen auttaa välttämään liian monimutkaisen ja tarpeettoman kalliin materiaalin valitsemista.

Vaihe 1: Määrittele vaatimukset

Ensin on määriteltävä, mitä osan on tehtävä ja missä olosuhteissa se joutuu toimimaan. Tämä edellyttää sen mekaanisten, termisten ja kemiallisten vaatimusten arviointia.

• Mekaaniset tarpeetTämä on usein ensisijainen syy komposiitin käyttöön. Ota huomioon voimat, joita osan on kestettävä. Tarvitseeko se suurta lujuutta ja jäykkyyttä kestääkseen taivutusta, kuten tukikannatin tai valmistusjigi? Vai tarvitseeko se sitkeyttä ja iskunkestävyyttä selvitäkseen pudotuksista tai iskuista, mikä on yleistä robottitarttujassa? Liikkuvien osien kohdalla väsymis- ja kulumiskestävyys ovat ratkaisevan tärkeitä.
• LämpötarpeetKäyttölämpötila on kriittinen tekijä. Materiaalin lämmönsäätelylämpötila (HDT) osoittaa, milloin se alkaa pehmetä kuormituksen alaisena. Tämä on elintärkeää osille, joita käytetään moottoreiden lähellä, ajoneuvoissa tai kuumissa tehdasympäristöissä.
• Kemikaalien ja ympäristön tarpeetOta huomioon osan ympäristö. Altistuuko se öljyille, jäähdytysnesteille tai muille kemikaaleille? Ulkona olevien osien on oltava UV-kestäviä, jotta ne eivät haurastuisi.Tarkkuustyökalujen on imeydyttävä vähän kosteutta säilyttääkseen mittatarkkuuden kosteissa olosuhteissa.

Vaihe 2: Priorisoi tarpeesi

Kun sinulla on lista vaatimuksista, päätä, mitkä ovat "pakollisia" ja mitkä "hyviä". Tämä on tärkeää, koska joudut lähes aina tasapainottelemaan kompromissien välillä. Esimerkiksi hiilikuitu on erittäin jäykkä, mutta hauraampi kuin Kevlar®. Korkean lämpötilan muovit, kuten PEEK, toimivat hyvin, mutta maksavat huomattavasti enemmän kuin nailon. Tarpeidesi asettaminen järjestykseen auttaa sinua keskittymään tärkeimpiin asioihin ja löytämään tasapainoisen ja edullisen ratkaisun.

Vahvistuskuitujen vertailu

Kun sovelluksesi vaatimukset on selkeästi määritelty ja priorisoitu, voit nyt arvioida, mikä lujitekuitu sopii parhaiten. Jokainen tarjoaa erilaisia ​​etuja.

hiilikuitu

Hiilikuitu on paras materiaali asioille, joiden on oltava vahvoja, jäykkiä ja samalla kevyitä. Tästä syystä se sopii täydellisesti ilmailu- ja robotiikkaosien kevyempään valmistukseen tai teollisuustyökalujen valmistukseen, joilla voidaan korvata raskaampia ja alumiinista valmistettuja osia. Mutta koska se on erittäin jäykkää, se on myös erittäin hauras, joten se ei sovi tilanteisiin, joissa se voi saada kovia iskuja. Se maksaa eniten ja on kallein tapa vahvistaa.

Lasikuitu

Lasikuitu on vahva ja kestävä materiaali, jota voidaan käyttää moniin asioihin. Se on myös erittäin halpaa. Koska se ei johda sähköä, sitä käytetään usein prototyyppien, elektroniikkakoteloiden ja yleiskäyttöisten jigien ja kiinnikkeiden valmistukseen, joiden on oltava vahvempia kuin pelkkä muovi. hiilikuitu on vahvempi, mutta kevyempi ja jäykempi kuin hiilikuitu.

Kevlar® (aramidikuitu)

Aramidikuiduista valmistettu Kevlar® on paras materiaali pitkäikäisyyden kannalta, koska se on erittäin kestävää eikä kulu helposti. Se sopii erinomaisesti osiin, joiden on kestettävä pitkään eivätkä vaurioidu, kuten pehmeisiin leukoihin herkkien osien tai kovassa käytössä olevien kokoonpanokappaleiden pitämiseen. Sitä voi olla vaikea hioa tai valmistaa, eikä sen puristuslujuus ole yhtä korkea kuin lasikuidun tai hiilikuidun.

Materiaalivalinnan tuolla puolen: Käytännön onnistumisen tekijöitä

Oikean materiaalin valitseminen on vain yksi osa yhtälöä. Tulostimesi ominaisuudet, osasi suunnittelu ja budjettisi ovat aivan yhtä tärkeitä menestyksen kannalta.

3D-tulostimen vaatimukset

Kaikki 3D-tulostimet eivät pysty käsittelemään näitä materiaaleja. Kuten aiemmin mainittiin, silputut kuidut ovat hankaavia ja vaativat karkaistusta teräksestä valmistettu suutin vaurioiden välttämiseksi. Korkean lämpötilan muovit, kuten PEEK, tarvitsevat lämmitetyllä tulostuskammiolla varustetun tulostimen tulostaakseen onnistuneesti. Ja jos haluat keskustelemiemme jatkuvien kuitujen erinomaisen lujuuden, sinun on käytettävä tulostinta, joka on erityisesti varustettu kyseisellä tekniikalla.

Lisäainevalmistuksen suunnittelu (DfAM)

Saadaksesi kaiken irti komposiittimateriaalista, sinun on suunniteltava osa erityisesti sitä varten. Et voi vain tulostaa metallille tarkoitettua mallia ja odottaa sen toimivan hyvin. Aiemmin tunnistamiesi lujuusvaatimusten täyttämiseksi malli on optimoitava. Jatkuvan kuidun tapauksessa tämä tarkoittaa kuitujen suuntaamista niille reiteille, joissa jännitys on suurin. Voit myös käyttää topologian optimointiohjelmistoa luodaksesi malleja, joissa materiaalia käytetään vain siellä, missä sitä tarvitaan, mikä maksimoi lujuus-painosuhteen.

Budjetti ja tuotantomäärä

Lopuksi, ota huomioon kokonaiskustannukset. Tämä ei sisällä pelkästään tuotteen hintaa. materiaalikela, mutta myös tulostusaika ja tulostimen mahdollinen kuluminen. Arvioi aina, täyttääkö edullisempi komposiitti kaikki välttämättömät vaatimuksesi, ennen kuin päätät kalliimmasta ja tehokkaammasta vaihtoehdosta.

Jatka 3D-projektejasi selkeällä suunnitelmalla!

Polku erinomaiseen komposiittiosaan on harkittujen vaiheiden prosessi. Se alkaa selkeällä ymmärryksellä siitä, mitä projektisi vaatii. Määrittelemällä tarpeesi ensin voit tehokkaasti vertailla eri materiaalien, kuten hiilikuidun, lasikuidun ja Kevlar®:n, eri etuja. Kun otat huomioon myös tulostimesi, suunnittelustrategiasi ja budjettisi, muutat arvauksen järkeväksi tekniseksi päätökseksi. Tämä käytännöllinen lähestymistapa varmistaa, että luomasi osa on luotettava, tehokas ja järkevä projektiisi.