Kā atlasīt pareizos rūpnieciskās kvalitātes kompozītmateriālus saviem 3D projektiem

Ja jūsu 3D drukātajām detaļām ir jābūt izturīgākām vai ilgmūžīgākām nekā standarta plastmasas detaļas, ir pienācis laiks apskatīt rūpnieciskas kvalitātes kompozītmateriālus. Izmantojot šos progresīvos materiālus, jūs varat izveidot funkcionālas detaļas, kas ir izturīgas, vieglas un paredzētas ilgam kalpošanas laikam. Ikvienam, kas strādā inženierzinātnēs vai produktu dizainā, pareizā kompozītmateriāla izvēle ir izšķirošs solis. Jūsu izvēlētais materiāls ietekmē detaļas veiktspēju, kalpošanas laiku un izmaksas. Šī rokasgrāmata piedāvā vienkāršu procesu, kas palīdzēs jums izvēlēties... labākais materiāls jūsu projekta īpašajām vajadzībām.

Kas ir rūpnieciskās 3D drukāšanas kompozītmateriāli?

Industriālie kompozītmateriāli 3D drukāšanai ir izgatavoti no divām galvenajām daļām: pamatplastmasas un stiprinošās šķiedras. Izpratne par katras daļas funkciju ir būtiska, lai izvēlētos pareizo.

Bāzes polimērs un stiegrojuma šķiedra

Bāzes polimērs jeb matrica ir galvenā plastmasa, kas piešķir detaļai tās pamatformu un īpašības, piemēram, ķīmisko izturību vai karstumizturību. Izplatītākās izvēles ietver ikdienas inženiertehniskās plastmasas, piemēram, neilonu (PA) vai PETG, kā arī augstas veiktspējas polimērus, piemēram, PEEK, kas spēj izturēt ekstremālas temperatūras un spēcīgas ķīmiskas vielas.

Armatūras šķiedra piešķir kompozītmateriālam tā augsto izturību. Šīs šķiedras tiek sajauktas ar bāzes polimēru, lai ievērojami uzlabotu mehāniskās īpašības, piemēram, stingrību un triecienizturību. Trīs visizplatītākās šķiedras ir oglekļa šķiedra, stikla šķiedra un Kevlar®.

Sasmalcinātas šķiedras salīdzinājumā ar nepārtrauktām šķiedrām

Šķiedras pievienošanas veidam plastmasai ir milzīga ietekme uz gala detaļas veiktspēju.

Sasmalcinātās šķiedras ir īsas šķiedru šķipsnas, kas pirms drukāšanas tiek iejauktas plastmasas pavedienā. Drukājot detaļu, šīs šķiedras izkaisās pa visu materiālu, padarot visu detaļu stiprāku un stingrāku nekā tikai pamatplastmasa. Daudzi standarta 3D printeri var izmantot šīs kvēldiegus, ja vien tiem ir sacietējusi uzgalis, kas nenodilsies abrazīvā materiāla ietekmē.

Savukārt nepārtrauktas šķiedras ir atsevišķas, nepārtrauktas šķiedras, kas drukāšanas procesa laikā tiek novietotas detaļas iekšpusē, izmantojot specializētu printeri ar otru sprauslu. Šis process ļauj pielikt izturību tieši tur, kur tā nepieciešama, radot detaļas, kas var būt tikpat izturīgas kā apstrādāts alumīnijs, bet daudz vieglākas. Tas ir iemesls, kāpēc metāla detaļas var aizstāt ar 3D drukātiem kompozītmateriāliem.

Kā izvēlēties materiālu saviem 3D projektiem

Pareizais materiāls ne vienmēr ir visizturīgākais — tas ir tas, kas praktiski un rentabli atbilst jūsu projekta vajadzībām. Skaidra procesa ievērošana palīdz izvairīties no pārāk sarežģīta un nevajadzīgi dārga materiāla izvēles.

1. solis: prasību definēšana

Vispirms definējiet, kas detaļai ir jādara un kādiem apstākļiem tā saskarsies. Tas ietver tās mehānisko, termisko un ķīmisko prasību novērtēšanu.

• Mehāniskās vajadzībasŠis bieži vien ir galvenais iemesls kompozītmateriāla izmantošanai. Apsveriet spēkus, kas detaļai jāiztur. Vai tai ir nepieciešama augsta izturība un stingrība, lai pretotos locīšanai, piemēram, atbalsta kronšteinam vai ražošanas šablonam? Vai arī tai ir nepieciešama sīkstums un triecienizturība, lai izturētu kritienus vai triecienus, kas ir ierasta lieta robotizētajiem satvērējiem? Kustīgām detaļām noguruma un nodilumizturība ir izšķiroša.
• Termiskās vajadzībasDarba temperatūra ir kritisks faktors. Materiāla siltuma novirzes temperatūra (HDT) norāda, kad tas sāks mīkstināties slodzes ietekmē. Tas ir svarīgi detaļām, ko izmanto motoru tuvumā, transportlīdzekļos vai karstā rūpnīcas vidē.
• Ķīmiskās un vides vajadzībasApsveriet detaļas vidi. Vai tā tiks pakļauta eļļām, dzesēšanas šķidrumiem vai citām ķīmiskām vielām? Āra detaļām ir nepieciešama UV stabilitāte, lai tās nekļūtu trauslas.Precīzijas instrumentiem ir nepieciešama zema mitruma absorbcija, lai saglabātu izmēru precizitāti mitros apstākļos.

2. solis: prioritizējiet savas vajadzības

Kad esat izveidojis prasību sarakstu, izlemiet, kuras ir “obligāti nepieciešamas” un kuras ir “vēlamas”. Tas ir svarīgi, jo gandrīz vienmēr būs jāatrod kompromisi. Piemēram, oglekļa šķiedra piedāvā augstu stingrību, bet ir trauslāka nekā Kevlar®. Augstas temperatūras plastmasa, piemēram, PEEK, ir labas īpašības, bet maksā ievērojami vairāk nekā neilons. Vajadzību klasificēšana palīdzēs koncentrēties uz vissvarīgāko un atrast līdzsvarotu, pieejamu risinājumu.

Armatūras šķiedru salīdzinājums

Kad jūsu pielietojuma prasības ir skaidri definētas un prioritizētas, tagad varat novērtēt, kura armatūras šķiedra ir vispiemērotākā. Katra no tām piedāvā atšķirīgu priekšrocību kopumu.

Oglekļa šķiedra

Oglekļa šķiedra ir labākais materiāls lietām, kurām jābūt izturīgām un stingrām, kā arī vieglām. Šī iemesla dēļ tā ir ideāli piemērota, lai padarītu kosmiskās aviācijas un robotikas detaļas vieglākas vai ražotu rūpnieciskos instrumentus, kas var aizstāt smagākas un no alumīnija izgatavotas detaļas. Taču, tā kā tā ir ļoti stingra, tā ir arī ļoti trausla, tāpēc nav piemērota situācijām, kur tā varētu tikt spēcīgi ietekmēta. Tā ir visdārgākā un visdārgākais stiprināšanas veids.

Stiklšķiedra

Stiklšķiedra ir izturīgs, ilgmūžīgs materiāls, ko var izmantot daudzām lietām. Tā ir arī ļoti lēta. Tā kā tā nevada elektrību, to bieži izmanto prototipu, elektronikas korpusu un vispārējas nozīmes stiprinājumu un armatūras izgatavošanai, kam jābūt izturīgākam par plastmasu vien. Oglekļa šķiedra ir stiprāka, bet vieglāka un stingrāka nekā oglekļa šķiedra.

Kevlar® (aramīda šķiedra)

Kevlar®, kas ir izgatavots no aramīda šķiedrām, ir vislabākais materiāls ilgmūžībai, jo tas ir ļoti izturīgs un viegli nenodilst. Tas lieliski piemērots detaļām, kurām jākalpo ilgi un nevajag tikt bojātām, piemēram, mīkstām spailēm trauslu detaļu vai montāžas detaļu, kas tiek pakļautas intensīvai lietošanai, noturēšanai. To var būt grūti slīpēt vai izgatavot, un tā spiedes izturība nav tik augsta kā stiklšķiedrai vai oglekļa šķiedrai.

Papildus materiālu izvēlei: praktiski panākumu faktori

Pareizā materiāla izvēle ir tikai viena vienādojuma daļa. Jūsu printera iespējas, detaļas dizains un budžets ir tikpat svarīgi panākumiem.

3D printera prasības

Ne visi 3D printeri var apstrādāt šos materiālus. Kā jau minēts iepriekš, sasmalcinātās šķiedras ir abrazīvas un tām ir nepieciešams rūdīta tērauda sprausla lai izvairītos no bojājumiem. Augstas temperatūras plastmasām, piemēram, PEEK, veiksmīgai drukāšanai ir nepieciešams printeris ar apsildāmu veidošanas kameru. Un, ja vēlaties iegūt mūsu apspriesto nepārtraukto šķiedru izcilo izturību, jums jāizmanto printeris, kas īpaši aprīkots ar šo tehnoloģiju.

Dizains aditīvajai ražošanai (DfAM)

Lai maksimāli izmantotu kompozītmateriālu, detaļa ir jāizstrādā tieši tam. Nevar vienkārši izdrukāt metālam paredzētu dizainu un sagaidīt, ka tas labi darbosies. Lai izpildītu iepriekš noteiktās izturības prasības, dizains ir jāoptimizē. Ar nepārtrauktu šķiedru tas nozīmē šķiedru orientēšanu pa ceļiem, kur ir vislielākais spriegums. Varat arī izmantot topoloģijas optimizācijas programmatūru, lai izveidotu dizainus, kuros materiāls tiek izmantots tikai tur, kur tas ir nepieciešams, maksimāli palielinot izturības un svara attiecību.

Budžets un ražošanas apjoms

Visbeidzot, apsveriet kopējās izmaksas. Tas ietver ne tikai cenu materiāla spole, bet arī drukāšanas laiku un printera nolietojumu. Pirms izvēlēties dārgāku, augstākas veiktspējas variantu, vienmēr izvērtējiet, vai lētāks kompozītmateriāls var apmierināt visas jūsu "obligātās" prasības.

Virzieties uz priekšu ar saviem 3D projektiem un skaidru plānu!

Ceļš uz lielisku kompozītmateriālu detaļu ir apzinātu soļu process. Tas sākas ar skaidru izpratni par to, kas nepieciešams jūsu projektam. Vispirms definējot savas vajadzības, jūs varat efektīvi salīdzināt tādu materiālu kā oglekļa šķiedras, stikla šķiedras un Kevlar® atšķirīgās priekšrocības. Kad ņemat vērā arī savu printeri, dizaina stratēģiju un budžetu, jūs pārvēršat minējumu par pamatotu inženiertehnisku lēmumu. Šī praktiskā pieeja nodrošina, ka jūsu izveidotā detaļa ir uzticama, efektīva un piemērota jūsu projektam.