Kako izbrati prave industrijske kompozitne materiale za svoje 3D projekte

Če morajo biti vaši 3D-natisnjeni deli močnejši ali trpežnejši od standardnih plastik, je čas, da razmislite o industrijskih kompozitih. Uporaba teh naprednih materialov vam omogoča ustvarjanje funkcionalnih delov, ki so močni, lahki in izdelani za dolgo življenjsko dobo. Za vse, ki delajo v inženirstvu ali oblikovanju izdelkov, je izbira pravega kompozita ključni korak. Izbrani material vpliva na to, kako dobro se del obnese, kako dolgo traja in koliko stane. Ta vodnik ponuja preprost postopek, ki vam bo pomagal izbrati najboljši material za specifične potrebe vašega projekta.

Kaj so industrijski 3D-tiskalni kompoziti?

Industrijski kompoziti za 3D-tiskanje so izdelani iz dveh glavnih delov: osnovne plastike in ojačevalnih vlaken. Razumevanje funkcije vsakega dela je ključnega pomena za izbiro pravega.

Osnovni polimer in ojačitvena vlakna

Osnovni polimer ali matrica je glavna plastika, ki daje delu osnovno obliko in lastnosti, kot sta kemična ali toplotna odpornost. Med pogoste izbire spadajo vsakodnevne inženirske plastike, kot sta najlon (PA) ali PETG, pa tudi visokozmogljive polimere, kot je PEEK, ki lahko prenesejo ekstremne temperature in agresivne kemikalije.

Ojačitvena vlakna dajejo kompozitu visoko trdnost. Ta vlakna so vmešana v osnovni polimer, da se drastično izboljšajo mehanske lastnosti, kot sta togost in odpornost na udarce. Tri najpogostejša vlakna so ogljikova vlakna, steklena vlakna in Kevlar®.

Sesekljana vlakna v primerjavi z neprekinjenimi vlakni

Način dodajanja vlaken plastiki močno vpliva na delovanje končnega dela.

Sesekljana vlakna so kratke niti vlaken, ki se pred tiskanjem vmešajo v plastični filament. Med tiskanjem se ta vlakna razpršijo po materialu, zaradi česar je celoten del močnejši in togejši od same osnovne plastike. Številni standardni 3D-tiskalniki Te filamente lahko uporabljate, če imajo utrjeno šobo, ki se ne bo obrabila zaradi abrazivnega materiala.

Neprekinjena vlakna pa so enojne, neprekinjene niti, ki jih specializiran tiskalnik z drugo šobo med tiskanjem položi v del. Ta postopek vam omogoča, da trdnost usmerite točno tja, kjer je potrebna, in ustvarite dele, ki so lahko tako močni kot strojno obdelan aluminij, vendar veliko lažji. To omogoča zamenjavo kovinskih delov s 3D-natisnjenimi kompoziti.

Kako izbrati material za vaše 3D projekte

Pravi material ni vedno najmočnejši – je tisti, ki na praktičen in stroškovno učinkovit način ustreza potrebam vašega projekta. Sledenje jasnemu postopku vam pomaga preprečiti izbiro materiala, ki je preveč zapleten in nepotrebno drag.

1. korak: Določite zahteve

Najprej opredelite, kaj mora del početi in s katerimi pogoji bo soočen. To vključuje oceno njegovih mehanskih, toplotnih in kemičnih zahtev.

• Mehanske potrebeTo je pogosto glavni razlog za uporabo kompozita. Upoštevajte sile, ki jih mora del prenesti. Ali potrebuje visoko trdnost in togost, da se upre upogibanju, kot podporni nosilec ali proizvodna šablona? Ali pa potrebuje žilavost in odpornost proti udarcem, da preživi padce ali udarce, kar je običajno za robotske prijemala? Pri gibljivih delih sta utrujanje in odpornost proti obrabi ključnega pomena.
• Toplotne potrebeDelovna temperatura je ključni dejavnik. Temperatura toplotne deformacije (HDT) materiala kaže, kdaj se bo material pod obremenitvijo začel mehčati. To je ključnega pomena za dele, ki se uporabljajo v bližini motorjev, v vozilih ali v vročih tovarniških okoljih.
• Kemijske in okoljske potrebeUpoštevajte okolje dela. Ali bo izpostavljen oljem, hladilnim tekočinam ali drugim kemikalijam? Zunanji deli potrebujejo UV-stabilnost, da preprečijo krhkost.Precizna orodja potrebujejo nizko absorpcijo vlage, da ohranijo dimenzijsko natančnost v vlažnih pogojih.

2. korak: Prednostno določite svoje potrebe

Ko imate seznam zahtev, se odločite, katere so »nujne« in katere »lepe«. To je pomembno, ker boste skoraj vedno morali uravnotežiti kompromise. Na primer, ogljikova vlakna ponujajo visoko togost, vendar so bolj krhka kot Kevlar®. Visokotemperaturne plastike, kot je PEEK, se dobro obnesejo, vendar stanejo bistveno več kot najlon. Razvrščanje potreb vam pomaga, da se osredotočite na tisto, kar je najpomembnejše, in najdete uravnoteženo in cenovno dostopno rešitev.

Primerjava ojačitvenih vlaken

Ko so zahteve vaše aplikacije jasno opredeljene in razvrščene po pomembnosti, lahko zdaj ocenite, katera ojačitvena vlakna so prava izbira. Vsaka ponuja drugačen nabor prednosti.

Ogljikova vlakna

Ogljikova vlakna so najboljši material za stvari, ki morajo biti močne in toge, hkrati pa lahke. Zaradi tega so odlična za izdelavo lažjih delov za vesoljsko in robotsko industrijo ali za izdelavo industrijskih orodij, ki lahko nadomestijo težje dele iz aluminija. Ker pa so zelo toga, so tudi zelo krhka, zato niso primerna za situacije, kjer bi lahko bila močno udarjena. Najdražja so in so najdražji način za krepitev.

Steklena vlakna

Steklena vlakna so močan, dolgotrajen material, ki se lahko uporablja za številne stvari. Je tudi zelo poceni. Ker ne prevajajo elektrike, se pogosto uporabljajo za izdelavo prototipov, ohišij za elektroniko ter splošnih naprav in vpenjal, ki morajo biti močnejše od same plastike. Ogljikova vlakna je močnejši, vendar lažji in bolj tog od ogljikovih vlaken.

Kevlar® (aramidna vlakna)

Kevlar®, ki je izdelan iz aramidnih vlaken, je najboljši material za dolgo življenjsko dobo, saj je zelo trpežen in se ne obrabi zlahka. Odlično se obnese za dele, ki morajo trajati dolgo časa in se ne poškodovati, kot so mehke čeljusti za držanje občutljivih delov ali sestavnih delov, ki so izpostavljeni grobi uporabi. Težko ga je brusiti ali izdelovati, njegova tlačna trdnost pa ni tako visoka kot pri steklenih vlaknih ali ogljikovih vlaknih.

Več kot le izbira materiala: praktični dejavniki za uspeh

Izbira pravega materiala je le en del enačbe. Zmogljivosti vašega tiskalnika, zasnova vašega dela in vaš proračun so prav tako pomembni za uspeh.

Zahteve za 3D-tiskalnike

Vsi 3D-tiskalniki ne morejo obdelati teh materialov. Kot smo že omenili, so sesekljana vlakna abrazivna in zahtevajo šoba iz kaljenega jekla da se izognete poškodbam. Visokotemperaturne plastike, kot je PEEK, za uspešno tiskanje potrebujejo tiskalnik z ogrevano gradivno komoro. In če želite vrhunsko trdnost neskončnih vlaken, o katerih smo razpravljali, morate uporabiti tiskalnik, ki je posebej opremljen s to tehnologijo.

Oblikovanje za aditivno proizvodnjo (DfAM)

Da bi kar najbolje izkoristili kompozitni material, morate del zasnovati posebej zanj. Ne morete kar natisniti zasnove, namenjene kovini, in pričakovati, da bo dobro delovala. Da bi izpolnili zahteve glede trdnosti, ki ste jih opredelili prej, je treba zasnovo optimizirati. Pri neprekinjenih vlaknih to pomeni, da so vlakna usmerjena vzdolž poti, kjer je napetost največja. Uporabite lahko tudi programsko opremo za optimizacijo topologije, da ustvarite zasnove, ki uporabljajo material le tam, kjer je potreben, s čimer se maksimizira razmerje med trdnostjo in težo.

Proračun in obseg proizvodnje

Nazadnje upoštevajte skupne stroške. To ne vključuje le cene tuljava materiala, pa tudi čas tiskanja in morebitno obrabo tiskalnika. Preden se odločite za dražjo in zmogljivejšo možnost, vedno ocenite, ali lahko cenejši kompozitni material izpolni vse vaše "nujne" zahteve.

Nadaljujte s svojimi 3D projekti in jasnim načrtom!

Pot do odličnega kompozitnega dela je proces premišljenih korakov. Začne se z jasnim razumevanjem potreb vašega projekta. Če najprej opredelite svoje potrebe, lahko učinkovito primerjate različne prednosti materialov, kot so ogljikova vlakna, steklena vlakna in Kevlar®. Ko upoštevate tudi svoj tiskalnik, strategijo oblikovanja in proračun, ugibanje spremenite v dobro inženirsko odločitev. Ta praktičen pristop zagotavlja, da je del, ki ga ustvarite, zanesljiv, učinkovit in smiseln za vaš projekt.