Birbirine vidalamaya çalıştığınızda kolayca kopan bir 3D baskılı parçayı veya tekrar tekrar kullanıma dayanacak kadar sağlam bir bileşeni tuttuysanız, 3D baskı gücünün tamamının eşit yaratılmadığını zaten biliyorsunuzdur. 3D baskı model parçaları tedarikçisi olarak, dayanıklı muhafazalara ihtiyaç duyan küçük robotik girişimlerinden hassas, güçlü prototiplere ihtiyaç duyan tıbbi cihaz ekiplerine kadar, müşteriler için bu kesin farklılıkları gidermek için yıllarımı harcadım. Gerçek şu ki, 3D baskılı bir parçanın gücü rastgele değildir; malzeme seçimleri, baskı teknolojisi ayarları, tasarım kararları ve işlem sonrası adımların bir karışımı ile şekillenir. Gelin bu faktörlerin her birini parçalara ayıralım, işte öğrendiğim gerçek dünya derslerini paylaşalım ve bunları her gün ürettiğimiz parça türlerine bağlayalım.
Her şeyden önce, seçtiğiniz malzeme parça mukavemetinin temel faktörüdür. Ağır nesneleri tutması gereken insansı ve hünerli robotlar için özel bir robotik el muhafazası isteyen bir müşterinin kaç kez bize geldiğini anlatamam, ancak daha hızlı bastığı için düşük maliyetli bir reçine seçti - ancak bir haftalık testten sonra muhafazanın çatlaması için. Reçineler ince ayrıntılar için mükemmeldir ancak çoğu standart fotopolimer reçinesi, özellikle toz yataklı baskıda kullanılan termoplastiklerle karşılaştırıldığında kırılgandır. Yük taşıyan parçalar için müşterilerime yalnızca yüzey kaplamasını değil, her zaman malzemeye özgü güç verilerini yönlendiririm. Örneğin, yüksek çekme mukavemeti veya darbe direnci gerektiren bir parçayı basıyorsanız, PLA'ya (yaygın bir termoplastik), naylona ve metale göre farklı sonuçlar elde edersiniz. Naylon, seçici lazer sinterleme (SLS) yoluyla işlendiğinde esnek ve darbeye dayanıklıdır, bu da onu robotik muhafazalar için ideal kılar; SLM 3D baskı paslanmaz çelik model [link] parçaları ise endüstriyel makine bileşenleri için olağanüstü gerilme mukavemeti sağlar. Reçineler arasında bile, mühendislik sınıfı reçineler (Sert Reçine veya Yüksek Etkili Reçine gibi) standart şeffaf reçinelerden çok daha iyi bir dayanıklılık sunar; müşterilerin benzer tasarımlarda standart reçineden mühendislik reçinesine geçiş yaptığını ve baskı kurulumunu ayarlamadan parçanın dayanıklılığını iki katına çıkardığını gördük. Farklı baskı teknolojilerinin farklı malzemeler kullandığını da belirtmek gerekir: reçine 3D baskı parçaları sıvı fotopolimerlere dayanırken, SLS termoplastik tozlar kullanır ve SLM metal tozları kullanır; dolayısıyla malzemenin parçanın son kullanımına uygun hale getirilmesi tartışılamaz. Sıklıkla karşılaştığım bir hata, müşterilerin bir malzemeyi kendi mekanik özelliklerine değil, yalnızca maliyete veya baskı süresine göre seçmeleridir; yazıcıya dokunmadan önce malzeme seçeneklerini daraltmak için her zaman kullanım senaryolarını gözden geçiririz.
Daha sonra, 3D baskı teknolojisi ve süreç parametreleri, malzemenin gücünün son parçaya dönüştürülmesinde büyük rol oynuyor. En etkili ayarlardan biri olan katman yüksekliğiyle başlayalım. Daha düşük katman yükseklikleri (daha ince katmanlar) tipik olarak daha güçlü bir parçayla sonuçlanır çünkü bitişik katmanlar arasında daha fazla bağ vardır, ancak bunların yazdırılması daha uzun sürer. Geçen ay bir robotik kol için işlevsel bir braket basan bir müşterim vardı: başlangıçta zamandan tasarruf etmek için 0,2 mm'lik katmanlar kullandı, ancak braket 5 kg'lık bir yükle kaldırıldığında katman çizgileri boyunca kırılıyordu. 0,1 mm'lik katmanlara geçtiğimizde parçanın katmanlar arası yapışması o kadar gelişti ki sorunsuz bir şekilde 8 kg taşıyabildi. Ancak katman yüksekliği tek parametre değildir. Örneğin SLS baskı hizmeti için [link], toz parçacıklarını eritmek için kullanılan lazer gücü önemlidir: çok düşük ve parçacıklar tam olarak bağlanmaz, parçayı zayıflatan boşluklar yaratır; çok yüksekse malzemenin bozulma riskiyle karşı karşıya kalırsınız, bu da gücü azaltır. Reçine baskı için, maruz kalma süresi ve kürleme sıcaklığı (hem baskı sırasında hem de kürleme sonrası) reçine molekülleri arasındaki çapraz bağlanmayı etkiler; yetersiz kürleme yumuşak, zayıf parçalara yol açar, aşırı kürleme ise reçineyi kırılgan hale getirebilir. Bir diğer önemli faktör ise neredeyse her müşteri için ayarladığımız dolgu yoğunluğu ve desenidir. Dolgu, parçanın iç yapısıdır ve %100 dolgu parçası, %20 dolgu parçasından çok daha güçlü olacaktır ancak aynı zamanda daha ağır ve daha pahalıdır. Yük taşıyan parçalar için genellikle gerilimi doğrusal veya ızgaralı desenlerden daha iyi dağıtan üçgen veya altıgen desenli %50-70 dolgu öneriyoruz. Bunu özel bir robotik kol bileşeni üzerinde test ettik: üçgen dolgu, aynı yoğunluktaki ızgara dolguya göre %30 daha iyi darbe direnci sağladı ve müşterinin ekstra malzeme için para ödemesine gerek kalmadı. Parçanın baskı yatağındaki yönü de kritiktir; katmanlar arası bağ, katman içindeki bağdan daha zayıf olduğundan, yüke paralel katmanlarla basılan parçalar, yüke dik katmanlarla basılan parçalardan hemen hemen her zaman daha zayıf olacaktır. Bir müşterinin parçasını güç sorununu çözmek için kaç kez yeniden yönlendirdiğimizi size anlatamam, hiçbir maddi değişikliğe gerek yok. Örneğin, düz olarak basılmış bir montaj parçası (çekme kuvvetine paralel katmanlar) 100N'de kırılır; Katmanlar çekme kuvvetine karşı çalışacak şekilde onu 90 derece döndürdüğümüzde 250 N tuttu. Bu büyük bir fark yaratan basit bir düzeltmedir.
Ayrıca, ilk kez 3D baskı kullananların sıklıkla gözden kaçırdığı, tasarıma özgü faktörler de var. Bunlardan en büyüğü parça geometrisi, özellikle de gerilim konsantrasyonlarıdır. Keskin köşeler, ince duvarlar ve alttan kesikler gerilimin oluştuğu noktalar oluşturarak çatlaklara veya kırılmalara yol açar. Örneğin, 90 derecelik dik açılı bir parça, yuvarlatılmış (radyolanmış) köşeli aynı parçaya göre çok daha düşük dayanıklılığa sahip olacaktır çünkü yuvarlatılmış köşe, gerilimi daha eşit bir şekilde dağıtır. Yüklenecek her parçaya her zaman en az 1 mm'lik filetolar ekliyoruz ve müşterilerimizi ince duvarlar konusunda uyarıyoruz: Duvarın kalınlığı 1,5 mm'den azsa, özellikle kırılgan bir malzemeden yapılmışsa bükülmeye veya kırılmaya çok daha yatkın olacaktır. Diğer bir tasarım faktörü de duvar kalınlığıdır: Eşit duvar kalınlığı çok önemlidir, çünkü değişen kalınlıklar baskı sırasında eşit olmayan soğumaya neden olur ve bu da iç gerilim yaratır. Parçanın bir alanı diğerinden iki kat daha kalınsa, daha kalın olan alan daha yavaş soğuyacak ve bu da parçayı zayıflatan bükülmelere veya boşluklara yol açacaktır. Düzensiz duvarlara sahip tasarımlar gönderen müşterilerimiz için birçok özel parçayı yeniden tasarlamak zorunda kaldık; parçayı hem yazdırılabilir hem de daha güçlü kılan küçük ayarlamalar yaptık. 3D baskı metal parçası SLA alüminyum paslanmaz çelik [bağlantı] bileşenleri gibi metal parçalar için destek yapılarını da hesaba katmamız gerekir: destekler yanlış yerleştirilirse pürüzlü yüzeyler bırakabilir veya çıkarıldığında parçaya zarar vererek zayıf noktalar oluşturabilir. Destek yerleşimini özellikle yük taşıyan metal parçalar için tasarlıyoruz, baskı sonrasında malzeme çıkarılmasını en aza indiren destek türlerini seçiyoruz, böylece son parça ana malzeme kadar güçlü oluyor.
Son işlem, parçanın gücünü artırabilecek veya bozabilecek son adımdır ve çoğu zaman en az önemsenen adımdır. Reçine parçaları için sonradan kürleme önemlidir: Yazıcının kürleme ayarları mükemmel olsa bile, parçanın baskıdan sonra reçinenin tamamen çapraz bağlanması için ilave UV ışınlarına maruz kalması gerekir. Sonradan kürlenmeyen parçaları test ettik: baskıdan hemen sonra güçlü hissediyorlardı, ancak bir haftalık kullanımdan sonra yumuşak ve kırılgan hale geliyorlardı. SLS parçaları için, toz giderme ve boncuk püskürtme yüzey kalitesini iyileştirebilir, ancak aşırı boncuklama ince duvarları aşındırabilir ve mukavemeti azaltabilir. Her parça için boncuk püskürtme basıncını ve süresini ayarlayarak yüzey düzgünlüğünü yapısal bütünlükle dengeliyoruz. Metal parçalar için, baskı prosesindeki iç stresi azaltmak amacıyla ısıl işlem gibi işlem sonrası adımlar yaygındır. Örneğin SLM baskılı paslanmaz çelik parçalar, lazerle eritme işleminden kaynaklanan küçük iç gerilimlere sahiptir ve bu gerilimler giderilmezse eğrilmeye veya çatlamaya neden olabilir. Baskı sonrası ısıl işlem bu gerilimleri azaltır ve bazı durumlarda parçanın mukavemetini %20'ye kadar artırır. Ayrıca kaplama veya işleme gibi sonlandırma seçenekleri de sunuyoruz, ancak müşterilerimizi her zaman çok kalın bir kaplama eklemenin stres yaratabileceği veya doğru uygulanmadığı takdirde düzgünsüzlük yaratabileceği konusunda uyarıyoruz.
Tüm bunları geçen çeyrekteki çalışmamızdan gerçek bir örnekle bir araya getireyim. Bir robot mühendisliği firması, laboratuvar testlerinde günlük kullanıma (2 kg'a kadar nesneleri kavrama dahil) dayanabilecek insansı ve hünerli robotlar için özel bir robotik el muhafazasına ihtiyaç duyduğunu bildirdi. Sundukları ilk tasarım standart reçineden yapılmış, %20 ızgara dolgulu 0,2 mm katmanlar halinde basılmış ve keskin köşelere sahipti. Bir prototipi test ettiğimizde ilk kavramadan sonra kırıldı. Faktörleri birlikte inceledik: İlk önce malzemeyi, standart reçineden 2 kat daha fazla gerilme mukavemetine sahip mühendislik sınıfı Sert Reçineye (reçine 3D baskı parçaları [link]) değiştirdik. Ardından, katmanlar arası yapışmayı iyileştirmek için katman yüksekliğini 0,1 mm'ye ayarladık, dolguyu %60 üçgen desen olarak değiştirdik, tüm köşelere 2 mm'lik filetolar ekledik ve katmanlar robotik tutucunun çekme kuvvetine karşı çalışacak şekilde baskı yatağındaki parçayı yeniden yönlendirdik. Ayrıca tam reçine çapraz bağlanmasını sağlamak için 24 saatlik bir kürleme sonrası adımı ekledik. Son parça kırılmadan 5 kg taşıyordu ve müşteri o zamandan beri laboratuvarı için 50 ünite daha sipariş etti. Bu proje bana gücün tek bir faktörle ilgili olmadığını, parçanın özel ihtiyaçlarını karşılamak için doğru malzemeyi, proses parametrelerini, tasarımı ve son işlemleri birleştirmek ile ilgili olduğunu gösterdi.
Bir tedarikçi olarak görevimiz yalnızca müşterilerin istediklerini basmak değil, onları bu faktörlerin son parçaları nasıl etkilediği konusunda eğitmektir. İster küçük bir prototip, ister işlevsel bir endüstriyel bileşen, ister özel bir robotik parça yazdırıyor olun, bu faktörlerin her birini doğru şekilde yapmak için zaman ayırmanız, çalışan bir parça ile önemli olduğunda arızalanan bir parça arasındaki fark anlamına gelecektir. Bir proje üzerinde çalışıyorsanız ve 3D baskılı parçalarınızın amaçlanan kullanım için yeterince güçlü olduğundan emin olmak istiyorsanız, malzeme seçiminden son bitirmeye kadar her adımda ilerlemenize yardımcı olmak için buradayız. İhtiyaçlarınızı görüşmek ve projenize özel teklif almak için bize ulaşın.
Referanslar
- Gibson, I., Rosen, DW ve Stucker, B. (2015). Eklemeli Üretim Teknolojileri: 3D Baskı, Hızlı Prototipleme ve Doğrudan Dijital Üretim. Springer.
- ASTM Uluslararası. (2020). Plastiklerin Çekme Özelliklerine İlişkin Standart Test Yöntemi (ASTM D638).
- Bagchi, A. ve Güceri, SI (1994). Stereolitografi Parçalarının Mekanik Özellikleri. Hızlı Prototipleme Dergisi, 1(1), 16-23.
- Wong, KV ve Hernandez, A. (2012). Eklemeli Üretime İlişkin Bir İnceleme. ISRN Makine Mühendisliği, 2012, 1-10.
