Hur man väljer rätt kompositmaterial för industriklass för dina 3D-projekt

Om dina 3D-utskrivna delar behöver vara starkare eller mer hållbara än vad standardplast kan erbjuda är det dags att titta på kompositer av industriell kvalitet. Genom att använda dessa avancerade material kan du skapa funktionella delar som är starka, lätta och byggda för att hålla. För alla som arbetar inom teknik eller produktdesign är det ett viktigt steg att välja rätt komposit. Materialet du väljer påverkar hur bra delen presterar, hur länge den håller och hur mycket den kostar. Den här guiden erbjuder en enkel process som hjälper dig att välja den... bästa materialet för ditt projekts specifika behov.

Vad är industriella 3D-utskriftskompositer?

Industriella kompositer för 3D-utskrift består av två huvuddelar: en basplast och en förstärkningsfiber. Att förstå vad varje del gör är nyckeln till att välja rätt.

Baspolymer och armeringsfiber

Baspolymeren, eller matrisen, är den huvudsakliga plasten som ger delen dess grundläggande form och egenskaper som kemisk eller värmebeständighet. Vanliga val inkluderar vardagliga tekniska plaster som nylon (PA) eller PETG, såväl som högpresterande polymerer som PEEK, som tål extrema temperaturer och starka kemikalier.

Armeringsfibern är det som ger kompositen dess höga hållfasthet. Dessa fibrer blandas in i baspolymeren för att dramatiskt förbättra mekaniska egenskaper som styvhet och slagtålighet. De tre vanligaste fibrerna är kolfiber, glasfiber och Kevlar®.

Hackade fibrer kontra kontinuerliga fibrer

Hur fibern tillsätts plasten gör en enorm skillnad för den färdiga delens prestanda.

Hackade fibrer är korta fibertrådar som blandas in i plastfilamentet före tryckning. När delen trycks sprids dessa fibrer ut i materialet, vilket gör hela delen starkare och styvare än enbart basplasten. Många standardmaterial 3D-skrivare kan använda dessa filament, så länge de har ett härdat munstycke som inte slits ner av det slipande materialet.

Kontinuerliga fibrer, å andra sidan, är enstaka, obrutna trådar som läggs inuti detaljen under tryckprocessen av en specialiserad skrivare med ett andra munstycke. Denna process låter dig placera styrka exakt där det behövs, vilket skapar delar som kan vara lika starka som maskinbearbetad aluminium men mycket lättare. Det är detta som gör det möjligt att ersätta metalldelar med 3D-printade kompositer.

Hur man väljer ett material för dina 3D-projekt

Rätt material är inte alltid det starkaste – det är det som uppfyller ditt projekts behov på ett praktiskt och kostnadseffektivt sätt. Att följa en tydlig process hjälper dig att undvika att välja ett material som är överkonstruerat och onödigt dyrt.

Steg 1: Definiera krav

Först, definiera vad delen behöver göra och vilka förhållanden den kommer att möta. Detta innebär att utvärdera dess mekaniska, termiska och kemiska krav.

• Mekaniska behovDetta är ofta den främsta anledningen till att använda komposit. Tänk på de krafter som delen måste hantera. Behöver den hög hållfasthet och styvhet för att motstå böjning, som ett stödfäste eller en tillverkningsjigg? Eller behöver den seghet och slagtålighet för att klara fall eller stötar, vilket är vanligt för robotgripdon? För rörliga delar är utmattning och slitstyrka avgörande.
• Termiska behovDriftstemperaturen är en kritisk faktor. Ett materials värmeavböjningstemperatur (HDT) indikerar när det börjar mjukna under belastning. Detta är viktigt för delar som används nära motorer, i fordon eller i varma fabriksmiljöer.
• Kemiska och miljömässiga behovTänk på delens miljö. Kommer den att utsättas för oljor, kylvätskor eller andra kemikalier? Utomhusdelar kräver UV-stabilitet för att förhindra att de blir spröda.Precisionsverktyg behöver låg fuktabsorption för att bibehålla måttnoggrannhet i fuktiga förhållanden.

Steg 2: Prioritera dina behov

När du har en lista med krav, bestäm vilka som är "måsten" och vilka som är "bra att ha". Detta är viktigt eftersom du nästan alltid måste balansera olika avvägningar. Till exempel erbjuder kolfiber hög styvhet men är mer spröd än Kevlar®. Högtemperaturplaster som PEEK fungerar bra men kostar betydligt mer än nylon. Att rangordna dina behov hjälper dig att fokusera på det som är viktigast och hitta en balanserad och prisvärd lösning.

En jämförelse av armeringsfibrer

Med din applikations krav tydligt definierade och prioriterade kan du nu utvärdera vilken armeringsfiber som passar bäst. Var och en erbjuder en annan uppsättning fördelar.

Kolfiber

Kolfiber är det bästa materialet för saker som behöver vara starka och styva samtidigt som de är lätta. På grund av detta är det perfekt för att göra delar inom flyg- och robotteknik lättare eller för att tillverka industriella verktyg som kan ersätta delar som är tyngre och gjorda av aluminium. Men eftersom det är väldigt styvt är det också väldigt ömtåligt, så det är inte bra för situationer där det kan bli hårt stött. Det kostar mest och är det dyraste sättet att förstärka.

Glasfiber

Glasfiber är ett starkt och hållbart material som kan användas till många saker. Det är också mycket billigt. Eftersom det inte leder elektricitet används det ofta för fungerande prototyper, elektronikhöljen och allmänt användbara jiggar och fixturer som behöver vara starkare än enbart plast. Kolfiber är starkare, men den är lättare och styvare än kolfiber.

Kevlar® (aramidfiber)

Kevlar®, som är tillverkat av aramidfibrer, är det bästa materialet för lång hållbarhet eftersom det är mycket tåligt och inte slits lätt. Det fungerar utmärkt för delar som behöver hålla länge och inte skadas, som mjuka käftar för att hålla ömtåliga delar eller monteringsdelar som utsätts för tuff användning. Det kan vara svårt att slipa eller tillverka, och dess tryckhållfasthet är inte lika hög som glasfiber eller kolfiber.

Bortom materialval: Praktiska faktorer för framgång

Att välja rätt material är bara en del av ekvationen. Din skrivares kapacitet, din dels design och din budget är lika viktiga för framgång.

Krav för 3D-skrivare

Inte alla 3D-skrivare kan hantera dessa material. Som tidigare nämnts är de hackade fibrerna slipande och kräver en munstycke i härdat stål för att undvika skador. Högtemperaturplaster som PEEK behöver en skrivare med en uppvärmd byggkammare för att kunna skriva ut framgångsrikt. Och om du vill ha den överlägsna styrkan hos de kontinuerliga fibrer vi diskuterade måste du använda en skrivare som är specifikt utrustad med den tekniken.

Design för additiv tillverkning (DfAM)

För att få ut det mesta av ett kompositmaterial måste du designa delen specifikt för det. Du kan inte bara skriva ut en design avsedd för metall och förvänta dig att den ska fungera bra. För att uppfylla de hållfasthetskrav du identifierade tidigare måste designen optimeras. Med kontinuerlig fiber innebär detta att fibrerna orienteras längs de banor där spänningen är högst. Du kan också använda programvara för topologioptimering för att skapa designer som bara använder material där det behövs, vilket maximerar förhållandet mellan hållfasthet och vikt.

Budget och produktionsvolym

Slutligen, tänk på den totala kostnaden. Detta inkluderar inte bara priset på materialspole, men även utskriftstiden och eventuellt slitage på skrivaren. Utvärdera alltid om ett billigare kompositmaterial kan uppfylla alla dina "måste-ha"-krav innan du bestämmer dig för ett dyrare alternativ med högre prestanda.

Gå framåt med dina 3D-projekt och ha en tydlig plan!

Vägen till en bra kompositdel är en process av avsiktliga steg. Det börjar med en tydlig förståelse för vad ditt projekt kräver. Genom att först definiera dina behov kan du effektivt jämföra de olika fördelarna med material som kolfiber, glasfiber och Kevlar®. När du också tar hänsyn till din skrivare, designstrategi och budget förvandlar du en gissning till ett sunt tekniskt beslut. Denna praktiska metod säkerställer att den del du skapar är tillförlitlig, effektiv och meningsfull för ditt projekt.