Jako dostawca części do modeli do druku 3D spędziłem ostatnie pięć lat na rozwiązywaniu problemów przy projektach dla klientów, od start-upów z branży lotniczej po zespoły robotyki, i jedno pytanie pojawia się częściej niż jakiekolwiek inne: „Jak wydrukować sztywne, niezawodne części, które nie wyginają się, nie pękają ani nie ulegają uszkodzeniu pod obciążeniem?” To nie jest podchwytliwe pytanie — sztywność części drukowanych w 3D w znacznie mniejszym stopniu zależy od samego wybrania „sztywnego” materiału, a bardziej od dopasowania wiedzy o materiałach, ustawień drukarki i projektu do konkretnych obciążeń, jakim będzie poddawana dana część. Widziałem, jak wielkie projekty kończyły się niepowodzeniem, ponieważ projektant sięgnął po sztywny materiał, taki jak ABS lub PETG, tylko po to, aby zmienić ustawienia w niewłaściwy sposób lub przyciąć rogi w orientacji, w wyniku czego część wygięła się pod ułamkiem oczekiwanego obciążenia. Dzisiaj opiszę praktyczne, poparte badaniami naukowymi kroki, które stosujemy, aby dostarczyć drukowane w 3D części o wysokiej sztywności, które wytrzymują rzeczywiste użytkowanie — bez konieczności zgadywania.
Najpierw porozmawiajmy o fundamencie: wyborze odpowiedniego materiału o dużej sztywności. Nie wszystkie sztywne materiały są sobie równe, a wybór niewłaściwego to największy błąd, jaki popełniają klienci. Dla naszychCzęści modelu do druku 3Dklientów zawsze zaczynamy od przydatności materiału do zastosowania. W przypadku części wymagających ekstremalnej sztywności – takich jak wsporniki ramion robotów, prototypy strukturalne dla przemysłu lotniczego lub niestandardowe obudowy urządzeń przemysłowych – tworzywa termoplastyczne o wysokim module sprężystości nie podlegają negocjacjom. ABS to klasyczny wybór w tym przypadku, którego moduł sprężystości wynosi około 2,2 GPa, co oznacza, że jest odporny na rozciąganie i zginanie znacznie bardziej niż bardziej elastyczne materiały, takie jak TPU. Regularnie korzystamy z naszychUsługa druku 3D Szybki prototyp tworzywa ABSlinia dla tych części; stosowany przez nas proces SLA (stereolitografia) utwardza żywicę ABS w część o spójnym ułożeniu molekularnym, eliminując „ugięcie linii warstwy” powszechne w wydrukach FDM o niskiej jakości. W przypadku części medycznych, które wymagają zarówno sztywności, jak i biokompatybilności (takich jak prowadnice chirurgiczne lub mocowania implantów), stosujemy specjalistyczną żywicę SLA o module sprężystości przy rozciąganiu 3,5 GPa, a naszeDruk 3D SLA dla części medycznychDzięki serwisowi każda część spełnia standardy biokompatybilności ISO bez utraty sztywności. Nawet w przypadku bardziej niszowych projektów, takich jak naszNiestandardowa obudowa dłoni robota dla robotów humanoidalnych i zręcznychlinii wybraliśmy żywicę przypominającą ABS o wysokiej sztywności, która wytrzymuje powtarzający się moment obrotowy i uderzenia przegubów robotów. Krótka uwaga: unikaj żywic o „wysokiej sztywności” sprzedawanych wyłącznie do małych części dekoracyjnych – większość z nich zawiera wypełniacz, który sprawia, że są sztywne, ale kruche i podatne na pękanie nawet pod niewielkimi obciążeniami. Przed realizacją każdego zamówienia zawsze testujemy próbki materiałów pod kątem modułu sprężystości przy rozciąganiu i zginaniu, dzięki czemu nie marnujesz czasu na części, które wyglądają na sztywne, ale nie sprawdzają się w użyciu.
Następnie projektowanie pod kątem sztywności nie dotyczy tylko materiału — ale także sposobu kształtowania części. Nawet najsztywniejszy materiał na świecie ugnie się, jeśli zaprojektujesz go jak cienką, płaską deskę. Posłużmy się prostym przykładem: wspornikiem umożliwiającym montaż czujnika o wadze 5 kg do ramienia robota. Jeśli zaprojektujesz ten wspornik jako płaskownik o grubości 2 mm, nawet z ABS, ugnie się on pod ciężarem czujnika. Ale jeśli dodasz zakrzywione żebra o wysokości 0,5 mm wzdłuż krawędzi nośnej, ta sama grubość 2 mm będzie miała 3 razy większą sztywność zginania. Jest to podstawowa koncepcja inżynierii konstrukcyjnej, która przekłada się bezpośrednio na części drukowane w 3D i jest czymś, czym się kierujemyCzęści modelu do druku 3Dklienta podczas procesu przeglądu projektu. Kluczowa zasada: podążaj „ścieżką obciążenia” z cechami geometrycznymi. Obciążenia przepływają przez część po liniach prostych (lub kontrolowanych liniach zakrzywionych), więc każdy element przecinający tę ścieżkę — jak żebra, wstawki lub wzmocnione krawędzie — zwiększa sztywność bez zwiększania ciężaru. Tam, gdzie to możliwe, unikamy również nawisów wymagających konstrukcji wsporczych, ponieważ materiał podporowy tworzy słabe, niespójne wiązania w punkcie styku, które później zamieniają się w punkt zgięcia. W przypadku części robotycznych często integrujemy puste struktury komórkowe (siatki) wewnątrz grubych ścian zewnętrznych; zmniejsza to zużycie materiału, sprawia, że część jest lekka, a siatka rozkłada obciążenie równomiernie, zwiększając sztywność o 40% w porównaniu do pełnych części o tym samym rozmiarze zewnętrznym. Częstym błędem projektowym popełnianym przez klientów jest dodanie zbyt wielu małych elementów lub dziur; każdy otwór powoduje koncentrację naprężeń, które osłabiają część, nawet jeśli ogólny kształt jest sztywny. Zawsze zaznaczamy te punkty zapalne w naszych przeglądach projektów i sugerujemy wygładzenie lub dodanie małego promienia wokół otworów, aby zmniejszyć naprężenia.
Przejdźmy teraz do ustawień drukowania – to tutaj nauka spotyka się z maszyną i gdzie drukowanie 3D staje się trudne. Widziałem dwa identyczne projekty części wydrukowane na tej samej drukarce z różnymi ustawieniami, jeden wystarczająco sztywny, aby utrzymać obciążenie 10 kg, a drugi wyginający się poniżej 2 kg. Najważniejszym czynnikiem jest tutaj wyrównanie warstw. W przypadku części o dużej sztywności nigdy nie chcesz, aby siły obciążenia przechodziły przez wiele warstw pod ostrym kątem. Jeśli obciążenie rozciągające rozciąga się wzdłuż części, warstwy powinny być ułożone równolegle do kierunku obciążenia, a nie prostopadle. Na przykład, jeśli drukujesz prostokątny pręt, który będzie ciągnięty wzdłuż jego długiej osi, wydrukuj go tak, aby długa oś pręta była pozioma, tak aby każda warstwa leżała wzdłuż tego kierunku obciążenia. Dla każdego obliczamy optymalną orientacjęUsługa druku 3D Szybki prototyp tworzywa ABSprojekt w standardzie; nasz zespół projektowy przeprowadza symulację, aby pokazać klientom, jak orientacja wpłynie na sztywność, aby nie musieli zgadywać. Następnie wysokość warstwy: cieńsze warstwy zapewniają lepsze wiązanie międzywarstwowe, co oznacza mniejszą elastyczność między warstwami. W przypadku większości części o dużej sztywności stosujemy warstwy o grubości 0,1 mm lub 0,15 mm zamiast typowych 0,2 mm w celu zwiększenia szybkości. Kompromisem jest nieco dłuższy czas druku, ale siła wiązania międzywarstwowego wzrasta o 25-30%, co stanowi ogromną różnicę w sztywności. Wypełnienie to kolejne krytyczne ustawienie — procent wypełnienia i wzór bezpośrednio wpływają na sztywność rdzenia części. W przypadku części nośnych o dużej sztywności stosujemy wypełnienie siatkowe lub prostoliniowe o gęstości 30–50%, a nie wypełnienie 10% często stosowane w prototypach. Wypełnienie siatkowe jest sztywniejsze niż sześciokątne (plaster miodu), ponieważ obciążenie rozkłada się równomiernie na liniach prostych i lepiej przylega do ścian zewnętrznych. Unikamy również rzadkiego wypełnienia części nośnych; nawet wypełnienie pełne o 20% jest sztywniejsze niż wypełnienie sześciokątne o 10%. W przypadku części SLA, w których zamiast włókna wykorzystuje się płynną żywicę, kluczowymi ustawieniami są czas naświetlania warstwy i chłodzenie części. Niedoświetlone warstwy mają słabe wiązania, dlatego kalibrujemy czas ekspozycji dla każdego rodzaju żywicy — na przykład nasza żywica SLA klasy medycznej dlaDruk 3D SLA dla części medycznychwykorzystuje 2-sekundową ekspozycję na warstwę, czyli o 0,5 sekundy dłużej niż standardowo, aby zapewnić pełne utwardzenie i mocne wiązania międzywarstwowe. Wreszcie, w przypadku części FDM (chociaż większość naszych części o dużej sztywności to SLA lub SLS), stosujemy temperaturę dyszy 245–250°C dla ABS, która topi włókno na tyle, aby wytworzyć silną przyczepność międzywarstwową, oraz temperaturę złoża 110°C, aby zapobiec wypaczeniu, które może powodować nierównomierne naprężenia zmniejszające sztywność.
Przetwarzanie końcowe to ostatni krok, który wiele osób przeocza, a który może spowodować, że część będzie sztywna lub uszkodzona. Nawet przy doskonałym materiale, projekcie i ustawieniach źle przetworzona część będzie miała ukryte słabości. W przypadku części ABS zawsze wykonujemy kąpiel parową w acetonie. Wygładza to warstwę zewnętrzną i lekko topi powierzchnię każdej warstwy, tworząc monolityczną (jednoczęściową) strukturę zamiast oddzielnych warstw, co zwiększa sztywność na zginanie nawet o 40%. Gwinty pod elementy złączne wiercimy lub nacinamy również po wydrukowaniu, a nie przed, gdyż gwintowanie wstępnie zadrukowanych gwintów może spowodować pękanie słabowarstwowych struktur. Do części medycznych odDruk 3D SLA dla części medycznychobróbka końcowa obejmuje 72-godzinne utwardzanie promieniami UV, aby zapewnić pełne utwardzenie żywicy, co zwiększa moduł sprężystości przy rozciąganiu o kolejne 15% i eliminuje wszelkie naprężenia szczątkowe w części. W przypadku części, które będą narażone na zmiany temperatury (takich jak prototypy lotnicze) wykonujemy wygrzewanie odprężające: 2 godziny w temperaturze 80°C w przypadku ABS, co usuwa wszelkie naprężenia wewnętrzne powstałe w procesie drukowania, które z czasem mogłyby spowodować wypaczenie lub zgięcie części. Kiedyś miałem klienta, który zamówił wspornik do ładunku satelitarnego, który nie przeszedł testów, ponieważ pominęliśmy wygrzewanie odprężające — okazało się, że naprężenia resztkowe powstałe podczas drukowania spowodowały jego wygięcie pod wpływem próżni i zmian temperatury w przestrzeni. Ten błąd nauczył nas, że w przypadku każdej wysyłanej części nośnej, obróbka końcowa jest etapem niepodlegającym negocjacjom.
Powiążmy to wszystko z prawdziwym przykładem z naszegoCzęści modelu do druku 3Dpraca: niestandardowa obudowa dłoni robota, którą produkujemy dla robotów humanoidalnych, jeden z naszych najpopularniejszych produktów niszowych. Klient potrzebował obudowy, która pomieściłaby 8 małych silników i wytrzymałaby wielokrotne uderzenia wynikające z ruchu wahadłowego robota, przy zerowej elastyczności. Zaczęliśmy od naszej żywicy SLA o wysokiej sztywności, podobnej do ABS, wybranej ze względu na moduł sprężystości przy zginaniu 3,2 GPa i biokompatybilność (choć nie było to tutaj potrzebne, dodało bufor bezpieczeństwa). Następnie zaprojektowaliśmy obudowę ze ścianami zewnętrznymi o grubości 1,5 mm, zintegrowanymi zakrzywionymi żebrami o grubości 0,5 mm wzdłuż krawędzi nośnych, w których montowane są silniki, oraz wydrążonymi konstrukcjami kratowymi w wewnętrznych wnękach, aby rozłożyć ciężar i obciążenie. Ustawiliśmy obudowę tak, aby ścieżki obciążenia z mocowań silnika przebiegały równolegle do warstw druku, zastosowaliśmy warstwy o grubości 0,15 mm, wypełnienie siatką 40% i skalibrowany czas naświetlania podczas drukowania SLA. Na koniec wykonaliśmy 2-godzinne wypalanie odprężające i utwardzanie promieniami UV. Końcowa część ważyła 120 g, wytrzymywała całkowite obciążenie 2,2 kg i przeszła 10 000 cykli udarowych bez widocznego uginania – dokładnie tyle, czego potrzebował klient. Później zamówili 12 kolejnych jednostek, które wykorzystano w demonstracji na konferencji poświęconej robotyce, która stała się wirusowa.
Ostatecznie drukowanie części drukowanych 3D o wysokiej sztywności nie polega na cięciu narożników ani używaniu najdroższych materiałów — chodzi o całościowe podejście, które łączy ze sobą naukę materiałową, założenia projektowe, ustawienia drukarki i przetwarzanie końcowe. jakoCzęści modelu do druku 3Ddostawcy, nie wysyłamy Ci tylko części; współpracujemy z Tobą, aby udoskonalić każdy krok, aby Twoja część spełniała wymagania dotyczące sztywności, niezależnie od tego, czy jest to niestandardowa obudowa robota, przewodnik medyczny czy prototyp lotniczy. Jeśli pracujesz nad projektem, który wymaga niezawodnych części drukowanych 3D o dużej sztywności, jesteśmy tutaj, aby pomóc Ci w wyborze materiałów, udoskonaleniach projektu i ustawieniach produkcji, aby uzyskać potrzebne rezultaty. Skontaktuj się z nami, aby omówić Twoje wymagania i uzyskać spersonalizowane rozwiązanie.
Referencje
- Gibbs, B. (2021). Analiza strukturalna części polimerowych drukowanych w 3D. Journal of Additive Manufacturing, 45, 102018.
- Międzynarodowy ASTM. (2018). Standardowa metoda badania właściwości rozciągających tworzyw sztucznych (D638-18). West Conshohocken, Pensylwania: ASTM.
- Mellor, S., Hao, L. i Zhang, D. (2014). Zastosowania wytwarzania przyrostowego w przemyśle: przegląd. Journal of Manufacturing Processes, 16(1), 2-12.
- ISO 10993-5:2019. Biologiczna ocena wyrobów medycznych – Część 5: Badania cytotoksyczności in vitro. Genewa, Szwajcaria: Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna.
- Wang, Y. i in. (2020). Wpływ orientacji warstw na właściwości mechaniczne części ABS drukowanych w technologii FDM 3D. Materiały i projektowanie, 190, 108557.
