Jeśli kiedykolwiek trzymałeś w dłoni wydrukowaną w 3D część, która łatwo pękała przy próbie skręcenia, lub element, który wydawał się wystarczająco mocny, aby wytrzymać wielokrotne użycie, wiesz już, że nie wszystkie wydruki 3D mają taką samą wytrzymałość. Jako dostawca części do modeli do druku 3D spędziłem lata na rozwiązywaniu problemów z dokładnie tymi różnicami dla klientów — od małych start-upów zajmujących się robotyką potrzebujących trwałych obudów po zespoły zajmujące się urządzeniami medycznymi wymagające precyzyjnych, mocnych prototypów. Prawda jest taka, że wytrzymałość części wydrukowanej w 3D nie jest przypadkowa; kształtuje się na podstawie wyboru materiałów, ustawień technologii drukowania, decyzji projektowych i etapów przetwarzania końcowego. Rozłóżmy każdy z tych czynników, podzielmy się praktycznymi lekcjami, których nauczyłem się w pracy, i powiążmy je z rodzajami części, które produkujemy na co dzień.
Przede wszystkim wybrany materiał jest podstawowym czynnikiem wpływającym na wytrzymałość części. Nie zliczę, ile razy klient zwracał się do nas z prośbą o niestandardową obudowę dłoni robota dla robotów humanoidalnych i zręcznych [link], która musi chwytać ciężkie przedmioty, ale wybrał tanią żywicę, ponieważ drukował szybciej – tylko po to, by obudowa pękła po tygodniu testów. Żywice doskonale nadają się do tworzenia drobnych szczegółów, ale większość standardowych żywic fotopolimerowych jest krucha, zwłaszcza w porównaniu z tworzywami termoplastycznymi stosowanymi w druku proszkowym. W przypadku części nośnych zawsze kieruję klientów do danych dotyczących wytrzymałości konkretnego materiału, a nie tylko wykończenia powierzchni. Na przykład, jeśli drukujesz część wymagającą dużej wytrzymałości na rozciąganie lub odporności na uderzenia, uzyskasz inne wyniki w przypadku PLA (popularnego tworzywa termoplastycznego) w porównaniu z nylonem i metalem. Nylon przetwarzany za pomocą selektywnego spiekania laserowego (SLS) jest elastyczny i odporny na uderzenia, dzięki czemu idealnie nadaje się do obudów robotów, a części modeli ze stali nierdzewnej drukowane w technologii SLM 3D [link] zapewniają ekstremalną wytrzymałość na rozciąganie elementów maszyn przemysłowych. Nawet wśród żywic żywice klasy inżynieryjnej (takie jak żywica Tough Resin lub żywica wysokoudarowa) oferują znacznie lepszą wytrzymałość niż standardowe żywice przezroczyste — widzieliśmy, jak klienci przeszli ze standardowej żywicy na żywicę konstrukcyjną w przypadku podobnych projektów i podwoili trwałość części bez konieczności dostosowywania konfiguracji drukowania. Warto też zaznaczyć, że różne technologie druku wykorzystują różne materiały: części do druku 3D z żywicy [link] opierają się na płynnych fotopolimerach, SLS wykorzystuje proszki termoplastyczne, a SLM wykorzystuje proszki metali, zatem dopasowanie materiału do końcowego przeznaczenia części nie podlega negocjacjom. Często spotykanym przeze mnie błędem jest to, że klienci wybierają materiał wyłącznie na podstawie kosztu lub czasu druku, a nie jego wewnętrznych właściwości mechanicznych — zawsze najpierw omawiamy przypadki użycia, aby zawęzić opcje materiałów, zanim w ogóle dotkniemy drukarki.
Następnie technologia druku 3D i parametry procesu odgrywają ogromną rolę w przełożeniu wytrzymałości tego materiału na ostateczną część. Zacznijmy od wysokości warstwy, jednego z najbardziej wpływowych ustawień. Niższe wysokości warstw (cieńsze warstwy) zazwyczaj dają mocniejszą część, ponieważ pomiędzy sąsiednimi warstwami występuje więcej połączeń, ale drukowanie trwa dłużej. W zeszłym miesiącu miałem klienta, który drukował funkcjonalny zamek do ramienia robota: początkowo, aby zaoszczędzić czas, użył warstw o grubości 0,2 mm, ale zamek pękał wzdłuż linii warstw po podniesieniu z ładunkiem 5 kg. Kiedy przeszliśmy na warstwy o grubości 0,1 mm, przyczepność międzywarstwowa części poprawiła się tak bardzo, że bez problemu wytrzymywała 8 kg. Ale wysokość warstwy nie jest jedynym parametrem. Na przykład w przypadku usług drukowania SLS [link] moc lasera używana do stapiania cząstek proszku ma znaczenie: jest zbyt niska, a cząstki nie łączą się całkowicie, tworząc szczeliny, które osłabiają część; zbyt wysokie i ryzykujesz degradacją materiału, co również zmniejsza wytrzymałość. W przypadku drukowania na żywicy czas ekspozycji i temperatura utwardzania (zarówno podczas drukowania, jak i po utwardzeniu) wpływają na sieciowanie między cząsteczkami żywicy — niedostateczne utwardzenie prowadzi do miękkich, słabych części, natomiast nadmierne utwardzenie może spowodować kruchość żywicy. Kolejnym kluczowym czynnikiem jest gęstość i wzór wypełnienia, który dostosowujemy pod niemal każdego klienta. Wypełnienie to wewnętrzna struktura części, a część wypełniona w 100% będzie znacznie mocniejsza niż część wypełniona w 20%, ale jest również cięższa i droższa. W przypadku części nośnych zwykle zalecamy wypełnienie 50–70% wzorem trójkątnym lub sześciokątnym, który rozkłada naprężenia równomiernie lepiej niż wzory liniowe lub siatkowe. Przetestowaliśmy to na niestandardowym elemencie ramienia robota: trójkątne wypełnienie zapewniało o 30% lepszą odporność na uderzenia niż wypełnienie siatkowe przy tej samej gęstości, a klient nie musiał płacić za dodatkowy materiał. Orientacja części na stole drukującym jest również istotna — części wydrukowane warstwami równoległymi do ładunku prawie zawsze będą słabsze niż części wydrukowane warstwami prostopadłymi do ładunku, ponieważ wiązanie między warstwami jest słabsze niż wiązanie w warstwie. Nie mogę zliczyć, ile razy zmienialiśmy orientację części klienta, aby rozwiązać problem z wytrzymałością, bez konieczności zmiany materiału. Na przykład uchwyt wydrukowany w pozycji leżącej (warstwy równoległe do siły ciągnącej) zatrzaśnie się przy sile 100 N; kiedy obróciliśmy go o 90 stopni, tak aby warstwy przebiegały wbrew sile ciągnącej, wytrzymał 250 N. To prosta poprawka, która robi ogromną różnicę.
Następnie istnieją czynniki specyficzne dla projektu, często pomijane przez użytkowników druku 3D po raz pierwszy. Najważniejszym z nich jest geometria części, zwłaszcza koncentracja naprężeń. Ostre narożniki, cienkie ściany i podcięcia tworzą punkty, w których narastają naprężenia, prowadzące do pęknięć lub pęknięć. Na przykład część o kącie prostym 90 stopni będzie miała znacznie mniejszą wytrzymałość niż ta sama część z zaokrąglonym (zaokrąglonym) narożnikiem, ponieważ zaokrąglony narożnik rozkłada naprężenia bardziej równomiernie. Zawsze dodajemy zaokrąglenia o grubości co najmniej 1 mm do każdej części narażonej na obciążenie i ostrzegamy klientów przed cienkimi ścianami: jeśli ściana ma grubość mniejszą niż 1,5 mm, będzie znacznie bardziej podatna na zginanie lub pękanie, zwłaszcza jeśli jest wykonana z kruchego materiału. Kolejnym czynnikiem projektowym jest grubość ścianki: kluczowa jest jednakowa grubość ścianki, ponieważ różne grubości prowadzą do nierównomiernego chłodzenia podczas drukowania, co powoduje wewnętrzne naprężenia. Jeśli jeden obszar części jest dwa razy grubszy od drugiego, grubszy obszar będzie się stygł wolniej, co prowadzi do wypaczeń lub szczelin, które osłabiają część. Musieliśmy przeprojektować wiele niestandardowych części dla klientów, którzy przesłali projekty z nierównymi ścianami — drobne poprawki, które sprawiają, że część nadaje się do druku i jest mocniejsza. W przypadku części metalowych, takich jak części metalowe do druku 3D, elementy metalowe SLA, aluminium, stal nierdzewna [link], musimy również wziąć pod uwagę konstrukcje wsporcze: jeśli podpory zostaną umieszczone nieprawidłowo, mogą pozostawić szorstkie powierzchnie lub uszkodzić część po usunięciu, tworząc słabe punkty. Projektujemy rozmieszczenie podpór specjalnie dla nośnych części metalowych, wybierając typy podpór, które minimalizują usuwanie materiału po wydrukowaniu, dzięki czemu ostateczna część jest tak wytrzymała jak materiał podstawowy.
Obróbka końcowa to ostatni krok, który może zwiększyć lub zniszczyć wytrzymałość części, a często jest najbardziej niedoceniany. W przypadku części z żywicy konieczne jest utwardzanie końcowe: nawet jeśli ustawienia utwardzania w drukarce są idealne, część wymaga dodatkowej ekspozycji na promieniowanie UV po wydrukowaniu, aby w pełni usieciować żywicę. Przetestowaliśmy części, które nie zostały utwardzone: zaraz po wydrukowaniu wydawały się mocne, ale po tygodniu użytkowania stały się miękkie i łamliwe. W przypadku części SLS usunięcie proszku i śrutowanie może poprawić wykończenie powierzchni, ale nadmierne frezowanie może spowodować erozję cienkich ścianek i zmniejszyć wytrzymałość. Równoważymy gładkość powierzchni z integralnością strukturalną, dostosowując ciśnienie i czas śrutowania dla każdej części. W przypadku części metalowych powszechne są etapy obróbki końcowej, takie jak obróbka cieplna, w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych powstających w procesie drukowania. Na przykład części ze stali nierdzewnej drukowane metodą SLM charakteryzują się niewielkimi naprężeniami wewnętrznymi powstającymi w procesie topienia laserowego, które w przypadku braku odprężenia mogą spowodować wypaczenie lub pękanie. Obróbka cieplna po drukowaniu zmniejsza te naprężenia, zwiększając w niektórych przypadkach wytrzymałość części nawet o 20%. Oferujemy również opcje wykańczania, takie jak powlekanie lub obróbka skrawaniem, ale zawsze ostrzegamy klientów, że dodanie zbyt grubej powłoki może zwiększyć naprężenia lub spowodować nierówności, jeśli nie zostanie prawidłowo nałożone.
Powiążę to wszystko z prawdziwym przykładem z naszej pracy w zeszłym kwartale. Firma zajmująca się inżynierią robotyki zwróciła się do nas z prośbą o niestandardową obudowę dłoni robota dla humanoidalnych i zręcznych robotów [link], która wytrzymałaby codzienne użytkowanie w testach laboratoryjnych, w tym chwytanie obiektów o masie do 2 kg. Pierwotny projekt, który przesłali, był wykonany ze standardowej żywicy, wydrukowany w warstwach o grubości 0,2 mm z 20% wypełnieniem siatkowym i miał ostre rogi. Kiedy testowaliśmy prototyp, zepsuł się już po pierwszym chwycie. Wspólnie sprawdziliśmy wszystkie czynniki: najpierw zmieniliśmy materiał na wytrzymałą żywicę klasy inżynieryjnej (części do drukowania 3D z żywicy [link]), która ma dwukrotnie większą wytrzymałość na rozciąganie niż standardowa żywica. Następnie dostosowaliśmy wysokość warstwy do 0,1 mm, aby poprawić przyczepność między warstwami, zmieniliśmy wypełnienie na wzór trójkątny w 60%, dodaliśmy 2 mm zaokrąglenia do wszystkich narożników i zmieniliśmy orientację części na stole drukującym, tak aby warstwy przebiegały wbrew sile ciągnącej automatycznego chwytaka. Dodaliśmy także 24-godzinny etap po utwardzeniu, aby zapewnić pełne usieciowanie żywicy. Ostatnia część wytrzymała 5 kg bez złamania, a od tego czasu klient zamówił do swojego laboratorium 50 kolejnych jednostek. Ten projekt uświadomił mi, że siła nie zależy od jednego pojedynczego czynnika — ale od połączenia odpowiedniego materiału, parametrów procesu, projektu i obróbki końcowej, aby spełnić specyficzne potrzeby części.
Jako dostawca naszym zadaniem nie jest tylko drukowanie tego, o co proszą klienci, ale także edukowanie ich na temat wpływu tych czynników na ostateczną część. Niezależnie od tego, czy drukujesz mały prototyp, funkcjonalny komponent przemysłowy, czy niestandardową część robota, poświęcenie czasu na odpowiednie dopasowanie każdego z tych czynników będzie oznaczać różnicę między częścią, która działa, a tą, która zawodzi, gdy ma to znaczenie. Jeśli pracujesz nad projektem i chcesz mieć pewność, że wydrukowane w 3D części są wystarczająco mocne, aby sprostać ich zamierzonemu zastosowaniu, jesteśmy tutaj, aby pomóc Ci na każdym etapie – od wyboru materiału po końcowe wykończenie. Skontaktuj się z nami, aby omówić Twoje wymagania i uzyskać wycenę dostosowaną do Twojego projektu.
Referencje
- Gibson, I., Rosen, DW i Stucker, B. (2015). Technologie wytwarzania przyrostowego: druk 3D, szybkie prototypowanie i bezpośrednia produkcja cyfrowa. Skoczek.
- Międzynarodowy ASTM. (2020). Standardowa metoda badania właściwości rozciągających tworzyw sztucznych (ASTM D638).
- Bagchi, A. i Guceri, SI (1994). Właściwości mechaniczne części stereolitograficznych. Dziennik szybkiego prototypowania, 1 (1), 16–23.
- Wong, KV i Hernandez, A. (2012). Przegląd wytwarzania przyrostowego. ISRN Inżynieria mechaniczna, 2012, 1-10.
