Bir 3D baskı model parça tedarikçisi olarak, son beş yılımı, havacılık ve uzay alanında yeni kurulan şirketlerden robotik ekiplerine kadar çeşitli müşteriler için projelerde sorun gidermeye harcadım ve bir soru diğerlerinden daha fazla ortaya çıkıyor: "Esnemeyen, çatlamayan veya yük altında arızalanmayan sert, güvenilir parçaları nasıl yazdırabilirim?" Bu hileli bir soru değil; 3D baskılı parçalardaki sertlik sadece "sert" bir malzeme seçmekten çok, malzeme bilimi, yazıcı ayarları ve tasarımın parçanızın karşılaşacağı belirli yüklerle eşleştirilmesine bağlıdır. Bir tasarımcının ABS veya PETG gibi sert bir malzemeye uzanması, yalnızca ayarları yanlış yapması veya yönlendirmede köşeleri kesmesi nedeniyle büyük projelerin raydan çıktığını gördüm, bu da parçanın beklenen yükün çok küçük bir kısmı altında bükülmesine neden oldu. Bugün, gerçek hayatta kullanıma uygun, yüksek sertlikte 3D baskılı parçalar sunmak için burada kullandığımız pratik, bilim destekli adımları açıklayacağım; tahmine gerek yok.
Öncelikle temelden bahsedelim: Yüksek sertlikte doğru malzemeyi seçmek. Tüm sert malzemeler eşit şekilde üretilmemiştir ve yanlış olanı seçmek, müşterilerin yaptığını gördüğümüz en büyük hatadır. Bizim için3D Baskı Modeli ParçalarıMüşterilerimiz için her zaman malzemenin uygulamaya uygunluğuyla başlıyoruz. Robotik kol braketleri, yapısal havacılık prototipleri veya endüstriyel ekipmanlara yönelik özel muhafazalar gibi aşırı sağlamlık gerektiren parçalar için, yüksek çekme modülüne sahip termoplastikler tartışılamaz. ABS, 2,2 GPa civarındaki çekme modülüyle klasik bir tercihtir; bu, TPU gibi daha esnek malzemelerden çok daha fazla gerilmeye ve bükülmeye karşı direnç gösterdiği anlamına gelir. Düzenli olarak kullanıyoruz3D Baskı Hizmeti ABS Plastik Hızlı Prototipbu parçalar için hat; Kullandığımız SLA (Stereolitografi) işlemi, ABS reçinesini tutarlı moleküler hizalamaya sahip bir parça halinde kürleyerek düşük kaliteli FDM baskılarda yaygın olan "katman çizgisi esnekliğini" ortadan kaldırır. Hem sertlik hem de biyouyumluluk gerektiren tıbbi parçalar için (cerrahi kılavuzlar veya implant fikstürleri gibi), 3,5 GPa çekme modülüne sahip özel SLA reçinesine yöneliyoruz veTıbbi Parçalar için SLA 3D BaskıServis, sağlamlıktan ödün vermeden her parçanın ISO biyouyumluluk standartlarını karşılamasını sağlar. Bizimki gibi daha niş projeler için bileİnsansı ve Becerikli Robotlar İçin Özel Robotik El Muhafazasıserisinde, robotik bağlantıların tekrarlanan torkuna ve darbesine dayanabilen, yüksek sertlikte ABS benzeri bir reçine seçtik. Burada kısa bir not: Yalnızca küçük dekoratif parçalar için pazarlanan "yüksek sertlikteki" reçinelerden kaçının; bunların çoğunda, onları sert ama kırılgan hale getiren ve küçük yükler altında bile parçalanmaya eğilimli hale getiren dolgu maddesi kullanılır. Herhangi bir siparişi işleme koymadan önce daima malzeme numunelerini çekme ve bükülme modülü açısından test ederiz, böylece sert görünen ancak kullanımda başarısız olan parçalarla zaman kaybetmezsiniz.
Daha sonra, sertlik için tasarım yapmak yalnızca malzemeyle ilgili değildir; parçayı nasıl şekillendirdiğinizle de ilgilidir. İnce, düz bir tahta gibi tasarlarsanız dünyadaki en sert malzeme bile esneyecektir. Basit bir örnek verelim: 5 kg'lık bir sensörü robot koluna monte etmek için bir braket. Bu braketi 2 mm kalınlığında düz bir çubuk olarak tasarlarsanız, ABS olsa bile sensörün ağırlığı altında eğilecektir. Ancak yük taşıyan kenar boyunca 0,5 mm uzunluğunda kavisli kaburgalar eklerseniz, aynı 2 mm kalınlık 3 kat daha fazla bükülme sertliğine sahip olacaktır. Bu, doğrudan 3D baskılı parçalara dönüşen yapı mühendisliğindeki temel bir kavramdır ve her gün yürüdüğümüz bir şeydir.3D Baskı Modeli Parçalarıtasarım inceleme süreci sırasında müşteri aracılığıyla. Buradaki temel kural: geometrik özelliklerle “yük yolunu” takip edin. Yükler bir parça boyunca düz çizgiler (veya kontrollü kavisli çizgiler) halinde akar, dolayısıyla bu yolu geçen herhangi bir özellik (kaburgalar, köşebentler veya güçlendirilmiş kenarlar gibi) çok fazla ağırlık eklemeden sertlik katar. Ayrıca mümkün olduğunca destek yapıları gerektiren çıkıntılardan da kaçınıyoruz çünkü destek malzemesi temas noktasında daha sonra esnek bir noktaya dönüşen zayıf, tutarsız bağlar oluşturur. Robotik parçalar için genellikle içi boş hücresel yapıları (kafesleri) kalın dış duvarların içine entegre ediyoruz; bu, malzeme kullanımını azaltır, parçayı hafif tutar ve kafes, yükü eşit şekilde dağıtarak aynı dış boyuttaki katı parçalara kıyasla sertliği %40 artırır. Müşterilerin yaptığı yaygın tasarım hatalarından biri, çok fazla küçük özellik veya delik eklemektir; her delik, genel şekil sert olsa bile parçayı zayıflatan bir gerilim konsantrasyonu yaratır. Tasarım incelemelerimizde bu gerilim sıcak noktalarını her zaman işaretliyoruz ve gerilimi azaltmak için deliklerin çevresini yumuşatmayı veya küçük bir yarıçap eklemeyi öneriyoruz.
Şimdi yazdırma ayarlarına geçelim; bilimin makineyle buluştuğu ve 3D yazdırmanın zorlaştığı nokta burasıdır. Aynı yazıcıda farklı ayarlarla basılmış iki özdeş parça tasarımı gördüm; biri 10 kg'lık bir yükü taşıyacak kadar sert, diğeri 2 kg'ın altında bükülüyor. Buradaki en büyük faktör katman hizalamasıdır. Yüksek sertlikteki parçalar için yük kuvvetlerinin birden fazla katmanı keskin bir açıyla geçmesini asla istemezsiniz. Bir çekme yükü bir parçanın uzunluğu boyunca çekiyorsa katmanların bu yük yönüne dik değil paralel hizalanmasını istersiniz. Örneğin, uzun ekseni boyunca çekilecek dikdörtgen bir çubuk yazdırıyorsanız, bunu çubuğun uzun ekseni yatay olacak şekilde yazdırın, böylece her katman bu yük yönü boyunca uzanır. Her biri için en uygun yönlendirmeyi hesaplıyoruz3D Baskı Hizmeti ABS Plastik Hızlı Prototipstandart olarak proje; Tasarım ekibimiz müşterilere oryantasyonun sertliği nasıl etkileyeceğini göstermek için bir simülasyon çalıştırıyor, böylece tahminde bulunmalarına gerek kalmıyor. Daha sonra katman yüksekliği: Daha ince katmanlar katmanlar arası daha iyi bağlanma sağlar, bu da katmanlar arasında daha az esneklik anlamına gelir. Yüksek sertlikteki parçaların çoğu için hız için yaygın olarak kullanılan 0,2 mm yerine 0,1 mm veya 0,15 mm katmanlar kullanırız. Bunun karşılığında baskı süresi biraz daha uzun olur, ancak katmanlar arası bağ gücü %25-30 oranında artar, bu da sertlik açısından büyük bir farktır. Dolgu başka bir kritik ayardır; dolgu yüzdesi ve desen, parçanın çekirdeğinin ne kadar sert olduğunu doğrudan etkiler. Yüksek sertlikteki yük taşıyan parçalar için genellikle prototipler için kullanılan %10 dolgu yerine %30-50 yoğunlukta ızgara veya doğrusal dolgu kullanıyoruz. Izgara dolgusu altıgenden (bal peteği) daha serttir çünkü yük düz çizgiler boyunca eşit olarak dağıtılır ve dış duvarlara daha iyi yapışır. Ayrıca yük taşıyan parçalar için seyrek dolgudan da kaçınıyoruz; %20'lik katı bir dolgu bile %10'luk bir altıgen dolgudan daha serttir. Filament yerine sıvı reçine kullanan SLA parçaları için temel ayarlar katman maruz kalma süresi ve parça soğutmadır. Yeterince açıkta kalan katmanların bağları zayıftır, bu nedenle her reçine türü için maruz kalma süresini kalibre ederiz; örneğin, tıbbi sınıf SLA reçinemizTıbbi Parçalar için SLA 3D BaskıTam sertleşmeyi ve güçlü katmanlar arası bağları sağlamak için katman başına standarttan 0,5 saniye daha uzun olan 2 saniyelik bir pozlama kullanır. Son olarak, FDM parçaları için (yüksek sertlikteki parçalarımızın çoğu SLA veya SLS olsa da), ABS için filamenti güçlü ara katman yapışması oluşturmaya yetecek kadar eriten 245-250C'lik bir meme sıcaklığı ve sertliği azaltan eşit olmayan gerilimler yaratabilen bükülmeyi önlemek için 110C'lik bir yatak sıcaklığı kullanıyoruz.
İşlem sonrası birçok insanın gözden kaçırdığı son adımdır ve zorlu bir parçayı oluşturabilir veya bozabilir. Mükemmel malzeme, tasarım ve ayarlarla bile, kötü işlenmiş bir parçanın gizli zayıflıkları olacaktır. ABS parçaları için her zaman aseton buhar banyosu yaparız. Bu, dış katmanı pürüzsüzleştirir ve her katmanın yüzeyini hafifçe eriterek ayrı katmanlar yerine monolitik (tek parça) bir yapı oluşturur, bu da bükülme sertliğini %40'a kadar artırır. Ayrıca bağlantı elemanları için dişleri baskıdan önce değil, baskıdan sonra deliyoruz veya kılavuz çekiyoruz çünkü önceden basılmış ipliklere kılavuz çekmek zayıf katmanlı yapıları çatlatabilir. Tıbbi parçalar içinTıbbi Parçalar için SLA 3D Baskı, son işlem, tam reçine kürlemesini sağlamak için 72 saatlik bir UV kürünü içerir; bu, çekme modülünü %15 daha artırır ve parçada kalan gerilimi ortadan kaldırır. Sıcaklık değişimlerine maruz kalacak parçalar için (havacılık ve uzay prototipleri gibi), baskı işleminde parçanın zamanla bükülmesine veya esnemesine neden olabilecek tüm iç gerilimleri ortadan kaldıran ABS için 80°C'de 2 saat boyunca gerilim giderme fırınlaması yapıyoruz. Bir keresinde bir müşterimden bir uydu yükü için bir braket sipariş etmiştim ancak stres giderme işlemini atladığımız için testte başarısız olmuştuk; baskıdan kaynaklanan kalan stresin, uzaydaki vakum ve sıcaklık değişikliklerine maruz kaldığında bükülmesine neden olduğu ortaya çıktı. Bu hata bize, gönderdiğimiz her yük taşıyan parça için sonradan işlemeyi tartışılmaz bir adım haline getirmeyi öğretti.
Tüm bunları, gerçek bir örnekle bir araya getirelim.3D Baskı Modeli Parçalarıiş: En popüler niş ürünlerimizden biri olan insansı robotlar için ürettiğimiz özel robotik el muhafazası. Müşterinin, 8 küçük motoru taşıyabilecek ve robotun sallanma hareketinden kaynaklanan tekrarlanan darbelere sıfır esneklikle dayanabilecek bir muhafazaya ihtiyacı vardı. 3,2 GPa bükülme modülü ve biyouyumluluğu nedeniyle seçilen yüksek sertlikteki ABS benzeri SLA reçinemizle başladık (burada buna ihtiyaç olmamasına rağmen bir güvenlik tamponu ekledi). Daha sonra, gövdeyi 1,5 mm kalınlığında dış duvarlara, motorların monte edildiği yük taşıyan kenarlar boyunca entegre 0,5 mm kavisli kaburgalara ve ağırlığı ve yükü dağıtmak için iç boşluklarda içi boş kafes yapılarına sahip olarak tasarladık. Muhafazayı, motor bağlantılarından gelen yük yolları baskı katmanlarına paralel olacak şekilde yönlendirdik, 0,15 mm katmanlar kullandık, %40 ızgara dolgusu kullandık ve SLA yazdırma sırasında pozlama süresini kalibre ettik. Son olarak 2 saatlik stres giderme fırını ve UV kürü yaptık. Son parça 120 gr ağırlığındaydı, toplam 2,2 kg'lık yükü destekledi ve gözle görülür bir esneklik olmadan 10.000 darbe döngüsünden geçti; bu tam olarak müşterinin ihtiyacı olan şeydi. Daha sonra viral hale gelen bir robotik konferansındaki demoda kullanılmak üzere 12 ünite daha sipariş ettiler.
Günün sonunda, yüksek sertlikte 3D baskılı parçaların basılması, işin kolayına kaçılması ya da en pahalı malzemenin kullanılması ile ilgili değildir; malzeme bilimi, tasarım amacı, yazıcı ayarları ve son işlemleri birbirine bağlayan bütünsel bir yaklaşımla ilgilidir. olarak3D Baskı Modeli Parçalarıtedarikçi, size sadece bir parça göndermiyoruz; İster özel bir robot mahfazası, ister tıbbi bir kılavuz veya havacılık prototipi olsun, parçanızın sertlik gereksinimlerini karşılaması için her adımı iyileştirmek için sizinle birlikte çalışıyoruz. Güvenilir, yüksek sertlikte 3D baskılı parçalara ihtiyaç duyan bir proje üzerinde çalışıyorsanız, ihtiyacınız olan sonuçları elde etmek için malzeme seçimlerinde, tasarımda ince ayarlarda ve üretim ayarlarında gezinmenize yardımcı olmak için buradayız. Gereksinimlerinizi görüşmek ve özelleştirilmiş bir çözüm elde etmek için bize ulaşın.
Referanslar
- Gibbs, B. (2021). 3D Baskılı Polimer Parçaların Yapısal Analizi. Eklemeli Üretim Dergisi, 45, 102018.
- ASTM Uluslararası. (2018). Plastiklerin Çekme Özelliklerine İlişkin Standart Test Yöntemi (D638-18). Batı Conshohocken, Pensilvanya: ASTM.
- Mellor, S., Hao, L. ve Zhang, D. (2014). Endüstride katmanlı imalat uygulamaları: Bir inceleme. Üretim Süreçleri Dergisi, 16(1), 2-12.
- ISO 10993-5:2019. Tıbbi cihazların biyolojik değerlendirmesi – Bölüm 5: İn vitro sitotoksisite testleri. Cenevre, İsviçre: Uluslararası Standardizasyon Örgütü.
- Wang, Y. ve diğerleri. (2020). Katman Yöneliminin FDM 3D Baskılı ABS Parçalarının Mekanik Özelliklerine Etkisi. Malzeme ve Tasarım, 190, 108557.
