Ako zvoliť správne kompozitné materiály pre vaše 3D projekty

Ak vaše 3D tlačené diely potrebujú byť pevnejšie alebo odolnejšie ako štandardné plasty, je čas pozrieť sa na priemyselné kompozity. Použitie týchto pokročilých materiálov vám umožňuje vytvárať funkčné diely, ktoré sú pevné, ľahké a vyrobené tak, aby vydržali. Pre každého, kto pracuje v oblasti strojárstva alebo produktového dizajnu, je výber správneho kompozitu kľúčovým krokom. Materiál, ktorý si vyberiete, ovplyvňuje, ako dobre diel funguje, ako dlho vydrží a koľko stojí. Táto príručka ponúka jednoduchý postup, ktorý vám pomôže vybrať... najlepší materiál pre špecifické potreby vášho projektu.

Čo sú to priemyselné 3D tlačové kompozity?

Priemyselné kompozity pre 3D tlač sa skladajú z dvoch hlavných častí: základného plastu a spevňujúceho vlákna. Pochopenie funkcie každej časti je kľúčom k výberu tej správnej.

Základný polymér a výstužné vlákno

Základný polymér alebo matrica je hlavný plast, ktorý dáva súčiastke základný tvar a vlastnosti, ako je chemická alebo tepelná odolnosť. Medzi bežné voľby patria bežné technické plasty, ako je nylon (PA) alebo PETG, ako aj vysokovýkonné polyméry ako PEEK, ktoré dokážu odolať extrémnym teplotám a agresívnym chemikáliám.

Výstužné vlákno dodáva kompozitu jeho vysokú pevnosť. Tieto vlákna sa primiešavajú do základného polyméru, aby sa dramaticky zlepšili mechanické vlastnosti, ako je tuhosť a odolnosť voči nárazu. Tri najbežnejšie vlákna sú uhlíkové vlákno, sklolaminát a Kevlar®.

Sekané vlákna vs. kontinuálne vlákna

Spôsob, akým sa vlákno pridáva do plastu, má obrovský vplyv na výkon konečného dielu.

Sekané vlákna sú krátke pramene vlákien, ktoré sa pred tlačou vmiešajú do plastového filamentu. Počas tlače dielu sa tieto vlákna rozptýlia po celom materiáli, vďaka čomu je celý diel pevnejší a tuhší ako samotný základný plast. Mnoho štandardných 3D tlačiarne Tieto filamenty môžete použiť, pokiaľ majú kalenú trysku, ktorá sa neopotrebuje abrazívnym materiálom.

Kontinuálne vlákna sú na druhej strane jednotlivé, neprerušené vlákna, ktoré sú počas procesu tlače uložené dovnútra dielu špecializovanou tlačiarňou s druhou tryskou. Tento proces umožňuje umiestniť pevnosť presne tam, kde je potrebná, a vytvárať diely, ktoré môžu byť rovnako pevné ako obrábaný hliník, ale oveľa ľahšie. Vďaka tomu je možné nahradiť kovové diely 3D tlačenými kompozitmi.

Ako si vybrať materiál pre vaše 3D projekty

Správny materiál nie je vždy najodolnejší – je to ten, ktorý spĺňa potreby vášho projektu praktickým a nákladovo efektívnym spôsobom. Dodržiavanie jasného postupu vám pomôže vyhnúť sa výberu materiálu, ktorý je prepracovaný a zbytočne drahý.

Krok 1: Definovanie požiadaviek

Najprv definujte, čo musí súčiastka robiť a akým podmienkam bude čeliť. To zahŕňa posúdenie jej mechanických, tepelných a chemických požiadaviek.

• Mechanické potrebyToto je často hlavný dôvod použitia kompozitu. Zvážte sily, ktorým musí súčiastka odolávať. Potrebuje vysokú pevnosť a tuhosť, aby odolala ohybu, ako napríklad nosná konzola alebo výrobný prípravok? Alebo potrebuje húževnatosť a odolnosť voči nárazom, aby prežila pády alebo nárazy, čo je bežné pre robotické chápadlá? Pre pohyblivé súčiastky sú únava a odolnosť voči opotrebovaniu kľúčové.
• Tepelné potrebyPrevádzková teplota je kritickým faktorom. Teplota tepelnej deformácie (HDT) materiálu udáva, kedy začne mäknúť pri zaťažení. To je nevyhnutné pre súčiastky používané v blízkosti motorov, vo vozidlách alebo v horúcom prostredí tovární.
• Chemické a environmentálne potrebyZvážte prostredie, v ktorom sa diel bude nachádzať. Bude vystavený olejom, chladiacim kvapalinám alebo iným chemikáliám? Vonkajšie diely vyžadujú UV stabilitu, aby sa zabránilo ich krehnutiu.Presné nástroje potrebujú nízku absorpciu vlhkosti, aby si zachovali rozmerovú presnosť vo vlhkých podmienkach.

Krok 2: Uprednostnite svoje potreby

Keď budete mať zoznam požiadaviek, rozhodnite sa, ktoré sú „nevyhnutné“ a ktoré sú „príjemné“. To je dôležité, pretože takmer vždy budete musieť vyvážiť kompromisy. Napríklad uhlíkové vlákno ponúka vysokú tuhosť, ale je krehkejšie ako Kevlar®. Vysokoteplotné plasty ako PEEK fungujú dobre, ale stoja výrazne viac ako nylon. Zoradenie vašich potrieb vám pomôže zamerať sa na to, čo je najdôležitejšie, a nájsť vyvážené a cenovo dostupné riešenie.

Porovnanie výstužných vlákien

Keď sú požiadavky vašej aplikácie jasne definované a prioritizované, môžete teraz vyhodnotiť, ktoré výstužné vlákno je pre vás to pravé. Každé z nich ponúka inú sadu výhod.

Uhlíkové vlákno

Uhlíkové vlákno je najlepší materiál na veci, ktoré musia byť pevné a tuhé, ale zároveň ľahké. Vďaka tomu je ideálne na výrobu ľahších súčiastok pre letecký a robotický priemysel alebo na výrobu priemyselných nástrojov, ktoré môžu nahradiť ťažšie súčiastky vyrobené z hliníka. Keďže je však veľmi tuhé, je aj veľmi krehké, takže nie je vhodné na situácie, kde by mohlo byť vystavené silným nárazom. Je najdrahšie a je to najdrahší spôsob spevnenia.

Sklolaminát

Sklolaminát je pevný, trvácny materiál, ktorý sa dá použiť na mnoho vecí. Je tiež veľmi lacný. Keďže nevedie elektrinu, často sa používa na výrobu prototypov, krytov elektroniky a univerzálnych prípravkov a upínacích prípravkov, ktoré musia byť pevnejšie ako samotný plast. Uhlíkové vlákno je pevnejší, ale ľahší a tuhší ako uhlíkové vlákno.

Kevlar® (aramidové vlákno)

Kevlar®, ktorý je vyrobený z aramidových vlákien, je najlepší materiál pre dlhú životnosť, pretože je veľmi pevný a ľahko sa neopotrebováva. Je skvelý na diely, ktoré musia vydržať dlho a nepoškodiť sa, ako sú mäkké čeľuste na uchytenie chúlostivých dielov alebo montážnych kusov, ktoré sa hrubo používajú. Môže byť ťažké ho brúsiť alebo vyrobiť a jeho pevnosť v tlaku nie je taká vysoká ako u sklolaminátu alebo uhlíkových vlákien.

Viac než len výber materiálu: Praktické faktory úspechu

Výber správneho materiálu je len jedna časť rovnice. Možnosti vašej tlačiarne, dizajn vášho dielu a váš rozpočet sú pre úspech rovnako dôležité.

Požiadavky na 3D tlačiareň

Nie všetky 3D tlačiarne dokážu spracovať tieto materiály. Ako už bolo spomenuté, nasekané vlákna sú abrazívne a vyžadujú tryska z kalenej ocele aby sa predišlo poškodeniu. Vysokoteplotné plasty ako PEEK potrebujú na úspešnú tlač tlačiareň s vyhrievanou tlačovou komorou. A ak chcete dosiahnuť vynikajúcu pevnosť nekonečných vlákien, o ktorých sme hovorili, musíte použiť tlačiareň špeciálne vybavenú touto technológiou.

Návrh pre aditívnu výrobu (DfAM)

Aby ste z kompozitného materiálu vyťažili maximum, musíte navrhnúť diel špeciálne preň. Nemôžete si len tak vytlačiť návrh určený pre kov a očakávať, že bude dobre fungovať. Aby ste splnili požiadavky na pevnosť, ktoré ste identifikovali predtým, musí byť návrh optimalizovaný. Pri kontinuálnych vláknach to znamená orientáciu vlákien pozdĺž dráh, kde je napätie najvyššie. Môžete tiež použiť softvér na optimalizáciu topológie na vytvorenie návrhov, ktoré používajú materiál iba tam, kde je potrebný, čím sa maximalizuje pomer pevnosti k hmotnosti.

Rozpočet a objem produkcie

Nakoniec zvážte celkové náklady. To zahŕňa nielen cenu cievka materiálu, ale aj čas tlače a akékoľvek opotrebenie tlačiarne. Pred rozhodnutím o drahšej a výkonnejšej možnosti vždy zhodnoťte, či lacnejší kompozitný materiál dokáže splniť všetky vaše „nevyhnutné“ požiadavky.

Pokračujte vo svojich 3D projektoch s jasným plánom!

Cesta k skvelému kompozitnému dielu je proces premyslených krokov. Začína sa jasným pochopením toho, čo váš projekt vyžaduje. Definovaním vašich potrieb najprv môžete efektívne porovnať odlišné výhody materiálov, ako sú uhlíkové vlákna, sklolaminát a Kevlar®. Keď zohľadníte aj vašu tlačiareň, dizajnérsku stratégiu a rozpočet, premeníte odhad na spoľahlivé inžinierske rozhodnutie. Tento praktický prístup zaisťuje, že diel, ktorý vytvoríte, bude spoľahlivý, efektívny a bude mať zmysel pre váš projekt.