Jeśli kiedykolwiek trzymałeś część modelu wydrukowaną w 3D i stukałeś ją paznokciem, prawdopodobnie zauważyłeś, że brzmi inaczej niż obrobiona plastikowa zabawka lub odlany element metalowy. Jako dostawca części modeli do druku 3D nieustannie jestem pytany, dlaczego ten delikatny dźwięk kliknięcia różni się tak bardzo w zależności od tego, co drukujemy dla klientów, jakiego materiału używamy, a nawet ustawień naszych drukarek. To nie jest przypadkowe — właściwości akustyczne części drukowanych w 3D to połączenie technologii, której używamy, wybranego materiału i maleńkiej struktury, którą budujemy warstwa po warstwie. Rozłóżmy to na czynniki pierwsze, bez przeładowania żargonem, po prostu prawdziwe rzeczy, które widzimy na co dzień w naszym sklepie.
Po pierwsze, uprośćmy sprawę: właściwości akustyczne oznaczają tutaj, w jaki sposób dana część wchodzi w interakcję z dźwiękiem — czy ją pochłania, odbija, wibruje po uderzeniu, czy też wydaje głuchy łomot w porównaniu z solidnym dźwiękiem? Każdy proces drukowania 3D również to zmienia. Na przykład, gdy w przypadku niektórych części korzystamy z usługi drukowania SLS, stapianie warstw jest bardzo równomierne, co zmienia dźwięk w znacznie większym stopniu niż proces, w którym łączenie warstw jest luźniejsze. Omówię tutaj naszą rzeczywistą pracę, więc nie jest to tylko teoria, ponieważ wysyłamy tony tych części do klientów, od producentów sprzętu audio po projektantów prototypów, którym zależy na brzmieniu swoich części.
Zacznijmy od największej zmiennej: materiału. To pierwsza rzecz, o którą pyta klient, wysyłając część do projektu – „jak to będzie brzmieć?” Przyjrzyjmy się powszechnym materiałom, z którymi pracujemy, i zmianom ich wibracji akustycznej. Większość naszych części plastikowych pochodzi z naszej linii szybkiego prototypowania tworzyw sztucznych ABS, prawda? ABS to wytrzymały, znany plastik, który można zobaczyć w zabawkach lub elementach wyposażenia samochodów. W przypadku druku 3D za pomocą SLS lub SLA części ABS mają gęstą, lekko elastyczną strukturę, ponieważ warstwy ściśle się ze sobą łączą. Stuknij małą część testową ABS, a usłyszysz ostry, wysoki dźwięk – znacznie jaśniejszy niż część wydrukowana w 3D, wykonana na przykład z elastycznego TPU. TPU jest miękki, więc pochłania większość dźwięku, więc stukanie w niego wydaje się matowe i wyciszone, bez żadnych wysokich tonów. W zeszłym kwartale zastosowaliśmy etui z TPU w nowej bezprzewodowej słuchawce dousznej klienta, a on specjalnie poprosił o miękki, tłumiący hałas dźwięk, aby dotknięcie nie zakłócało pracy mikrofonu. To właściwości akustyczne, które bezpośrednio wpływają na konstrukcję produktu.
Są też części metalowe – są szalone, ponieważ ich zachowanie akustyczne jest zupełnie inne niż plastiku. Kiedy drukujemy części metalowe, najczęściej używamy SLM (Selective Laser Melting) do materiałów takich jak stal nierdzewna lub aluminium. Dostarczane przez nas części modelu SLM do druku 3D ze stali nierdzewnej są wykonane z litego, gęstego metalu bez przerw między warstwami (dzięki laserowi o dużej mocy całkowicie topiącemu każdą cząstkę). Stuknij w małą część SLM ze stali nierdzewnej, a usłyszysz głęboki, bogaty dudnienie – podobne do odlewanej części metalowej, ponieważ struktura warstw jest tak płynna. Wykonujemy również druk 3D części metalowych SLA aluminium stal nierdzewna w przypadku mniejszych, precyzyjnych części, a aluminium jest jeszcze jaśniejsze niż stal — jego duża gęstość sprawia, że ping jest bardzo wyraźny, dlatego używa się go do takich rzeczy, jak mostki gitarowe lub mały sprzęt, gdzie liczy się klarowność dźwięku. Kiedyś wydrukowałem aluminiowy prototyp przetwornika głośnika i klient stwierdził, że test pingu był doskonały, ponieważ odzwierciedlał odpowiednią ilość dźwięku bez echa.
Teraz część, która zaskakuje większość ludzi: wysokość warstwy i wypełnienie. Nawet jeśli użyjesz tego samego materiału i drukarki, grubość każdej warstwy i to, jak wypełnione jest wnętrze części, bardzo zmienia dźwięk. Większość ludzi nie myśli o wypełnieniu, dopóki nie stukną w część i wydaje ona pusty dźwięk. Jeśli część ma 10% wypełnienia (bardzo rzadkie, jak siatka z dużą ilością szczelin powietrznych), stuknięcie w nią powoduje głuchy, głuchy odgłos – jak stukanie w piankowy kubek. Mieliśmy klienta, który wykonał model wystawowy dla muzeum i nie podobał mu się ten pusty dźwięk, więc podnieśliśmy wypełnienie do 30% i dodaliśmy solidne warstwy górną i dolną, dzięki czemu brzmiał znacznie solidniej, jak model z litego drewna. Wysokość warstwy również ma znaczenie: mniejsze warstwy (0,1 mm w porównaniu do 0,3 mm) oznaczają gładszą, ściślej zespoloną powierzchnię i wewnętrzną strukturę, dzięki czemu dźwięk jest bardziej spójny i odblaskowy. Małych warstw używamy w przypadku części wymagających spójności akustycznej, takich jak prototypowe obudowy telefonów, ponieważ użytkownik będzie ich wielokrotnie dotykał podczas pisania lub przesuwania.
Poczekaj, nie pomijajmy samego procesu drukowania – tutaj naprawdę widać naszą pracę jako dostawcy części do modeli do druku 3D. SLA (Stereolitografia) wykorzystuje płynną żywicę utwardzaną światłem UV, a warstwy są prawie niewidoczne. Części SLA są super gładkie i gęste, więc ich dźwięk przypomina twardy plastik, czysty, średni dźwięk. Z drugiej strony SLS łączy sproszkowany plastik za pomocą lasera, a powierzchnia jest nieco porowata (ale nie szorstka) w porównaniu do SLA. Części SLS brzmią nieco bardziej wyciszone niż SLA, ponieważ maleńkie szczeliny pomiędzy cząsteczkami proszku (nawet tymi stopionymi) pochłaniają odrobinę energii dźwiękowej. W zeszłym roku zrobiliśmy partię niestandardowych plastikowych wsporników SLS dla firmy zajmującej się kinem domowym, a oni wybrali SLS właśnie dlatego, że lekko tłumiący dźwięk zmniejsza ilość wibracji, które przechodzą przez wsporniki do ściany kina — nie ma irytującego szumu podczas scen filmowych. To doskonały przykład tego, jak właściwości akustyczne bezpośrednio wpływają na funkcjonalny produkt, a nie tylko na model.
Kolejna ważna rzecz: wykończenie powierzchni. Wielu klientów zapomina, że zmiany w postprocessingu również wpływają na dźwięk. Po wydrukowaniu wykonujemy takie czynności, jak szlifowanie, polerowanie lub powlekanie części, co zmienia sposób interakcji części z dźwiękiem. Surowa, niewypolerowana część SLA ma niewielką chropowatość powierzchni, która pochłania dźwięk na poziomie mikro, przez co ping jest nieco tępszy. Wypoleruj tę samą część na gładko, a dźwięk stanie się jaśniejszy i bardziej odblaskowy, ponieważ jest mniej powierzchni do wychwytywania fal dźwiękowych. Poprosiliśmy producenta biżuterii o małe, metalowe wisiorki wydrukowane w 3D i zależało mu na błyszczącym, wypolerowanym wykończeniu, które po stuknięciu wydaje wyraźny, delikatny dźwięk — więc wypolerowaliśmy całą powierzchnię i dokładnie to otrzymaliśmy. Żadnej dodatkowej pracy poza etapem przetwarzania końcowego w celu dostosowania wibracji akustycznej.
Porozmawiajmy teraz o powszechnych błędnych przekonaniach. Wiele osób uważa, że „druk 3D” oznacza „pusty i tani dźwięk”, ale dzieje się tak tylko w przypadku niskiego wypełnienia lub złych ustawień drukarki. Drukujemy części z litego metalu za pomocą SLM, które brzmią tak samo dobrze jak metal obrobiony maszynowo, oraz części ABS z wysokim wypełnieniem, które brzmią jak solidny plastik. Dotknąłem zamka ze stali nierdzewnej wydrukowanego w 3D, który zrobiliśmy w zeszłym miesiącu, i brzmiał tak solidnie, że moja współpracownica myślała, że to odlany, dopóki jej nie powiedziałem. Kluczem jest dopasowanie metody druku i materiału do wymagań akustycznych części. Współpracujemy z klientami, aby wybrać odpowiednią usługę druku 3D z tworzywa sztucznego ABS Rapid Prototype lub część metalową SLM w oparciu o ich potrzeby akustyczne, a nie tylko wytrzymałość i koszt. Przykładowo, jeśli klient potrzebuje części pochłaniającej dźwięk (jak wkładka do obudowy głośnika), zastosujemy TPU z wysokim wypełnieniem i matowym wykończeniem. Jeśli potrzebują odblaskowego, czystego dźwięku (jak prototyp instrumentu muzycznego), użyjemy aluminium z polerowanymi powierzchniami z naszej linii Metal Part SLA Aluminium ze stali nierdzewnej do druku 3D.
A co z zastosowaniami wykraczającymi poza sprzęt audio? Wydrukowaliśmy modele 3D dla firm architektonicznych, którym zależy na tym, jak brzmi model po dotknięciu go, aby wskazać okno lub drzwi. Model z pustymi ścianami (niskie wypełnienie) brzmi tanio, dlatego dostosowujemy wypełnienie, aby brzmiało bardziej solidnie podczas prezentacji. Wydrukowaliśmy także komponenty robotów, w których liczą się wibracje — jeśli część robota jest zbyt rezonansowa, może powodować hałas zakłócający działanie czujników, dlatego używamy materiałów o właściwościach tłumiących lub dostosowujemy wypełnienie, aby pochłaniało wibracje, co zmienia właściwości akustyczne na lepsze. To nie tylko miło mieć; to inżynieria funkcjonalna.
Spójrzmy realnie na temat naszych doświadczeń w sklepie, ponieważ nie chcę, żeby to był podręcznik. W zeszłym miesiącu zgłosił się do nas startup z prototypem przenośnego głośnika Bluetooth. Mieli wydrukowaną w 3D część z tworzywa sztucznego SLA, która podczas testowania wytwarzała delikatne echo, co pogarszało jakość dźwięku głośnika. Próbowaliśmy dwóch rzeczy: po pierwsze, przeszliśmy na grubszą część ABS z naszej linii ABS Plastic Rapid Prototype w ramach usługi druku 3D, a po drugie, dodaliśmy 25% wypełnienia i powłokę piankową od wewnątrz. Kiedy to przetestowali, echo zniknęło, a ton głośnika był znacznie cieplejszy – a wszystko dzięki dostosowaniu właściwości akustycznych części wydrukowanej w 3D. Wtedy zdałem sobie sprawę, jak często takie rzeczy się pojawiają, nawet w przypadku produktów, które same w sobie nie mają nic wspólnego z dźwiękiem.
Inny przykład: niedawno wysłaliśmy partię części modelu ze stali nierdzewnej SLM do druku 3D do klienta z branży lotniczej. Potrzebowali małych wsporników, które nie wibrowałyby na dużych wysokościach, a test akustyczny był częścią procesu zatwierdzania. Stal nierdzewna ma naturalne właściwości tłumiące, ale struktura warstwowa SLM uczyniła ją jeszcze bardziej stabilną, więc podczas testów wibracyjnych okazało się, że część nie rezonuje, a tego właśnie potrzebowali. To bardzo specyficzny przypadek użycia, ale pokazuje, że właściwości akustyczne mają znaczenie nie tylko w przypadku produktów audio.
Jeśli zastanawiasz się nad wydrukowaniem części modelu w 3D, jak wykorzystasz te informacje? Najpierw ustal, jakiego zachowania dźwięku potrzebujesz: czy chcesz, aby odbijał dźwięk (jasny, delikatny), czy też go pochłaniał (tępy, wyciszony)? Następnie wybierz materiał i metodę druku. Jeśli potrzebujesz plastiku, SLS jest dobry do lekkiego tłumienia, SLA do jasnego, ABS do zrównoważonego. Jeśli potrzebujesz metalu, stal nierdzewna jest głęboka, aluminium jest jasne, a SLM zapewnia płynną strukturę, która brzmi jak obrobiony metal. Podczas składania zamówienia wspomnij także o potrzebach akustycznych — nie tylko drukujemy części, pomagamy dostosować ustawienia, aby uzyskać pożądany dźwięk.
W ostatecznym rozrachunku właściwości akustyczne części modelu wydrukowanych w 3D nie są przypadkowym dziwactwem technologii — to coś, co kontrolujemy każdego dnia w naszym sklepie, począwszy od wybranego materiału, po ustawienia wypełnienia i warstw. Jako dostawca części do modeli do druku 3D nauczyliśmy się przez lata, że poświęcenie czasu na rozmowę o dźwięku (nawet jeśli nie jest to pierwsza rzecz, o której wspomina klient) ma ogromny wpływ na działanie produktu końcowego.
Jeśli pracujesz nad projektem, w którym liczy się dźwięk lub wibracje, lub po prostu chcesz otrzymać wydrukowane w 3D części modelu, które brzmią dokładnie tak, jak potrzebujesz, nie wahaj się z nami skontaktować. Możemy przeprowadzić Cię przez najlepsze opcje, niezależnie od tego, czy jest to nasza usługa drukowania SLS, nasza linia szybkich prototypów z tworzywa ABS do usług druku 3D, czy też nasza oferta SLM do drukowania 3D modelu ze stali nierdzewnej i drukowania 3D części metalowych SLA aluminium ze stali nierdzewnej. Jesteśmy tutaj, aby upewnić się, że Twoje części działają tak, jak chcesz, akustycznie i funkcjonalnie.
Referencje
- Gibson, I., Rosen, D. i Stucker, B. (2015). Technologie wytwarzania przyrostowego: druk 3D, szybkie prototypowanie i bezpośrednia produkcja cyfrowa (wyd. 2). Skoczek.
- Międzynarodowy ASTM. (2020). Standardowa metoda badania właściwości akustycznych sztywnych materiałów porowatych. ASTM C423-20.
- Kruth, JP i in. (2018). Zachowanie akustyczne części polimerowych wytwarzanych metodą addytywną: wpływ parametrów procesu i właściwości materiału. Produkcja przyrostowa, 24, 387-395.
- Zhang, Y. i in. (2021). Charakterystyka tłumienia drgań komponentów ze stali nierdzewnej wytwarzanych metodą SLM do zastosowań lotniczych. Journal of Manufacturing Processes, 64, 1122-1130.
